Арка: конструкция, история и элементы

Введение

Изогнутая конструкция, перекрывающая пространство и способная нести нагрузку – архитектурный элемент.

Арка – это изогнутая вертикальная конструкция, перекрывающая пространство под ней. Арка может поддерживать нагрузку над ней или выполнять чисто декоративную функцию. Арки известны с четвертого тысячелетия до нашей эры, но получили широкое распространение после их использования римлянами в IV веке до нашей эры. Конструкции, подобные аркам, могут быть горизонтальными, например, арочная плотина, выдерживающая горизонтальное гидростатическое давление. Арки обычно используются в качестве опор для различных типов сводов, в частности, цилиндрический свод представляет собой непрерывную арку. Широкое применение арок и сводов характеризует арочную конструкцию, в отличие от балочной системы, где, как в архитектуре Древней Греции, Китая и Японии (а также в современной стальной каркасной технике), преобладают столбы и балки. Арки имели ряд преимуществ перед перемычкой, особенно при строительстве из каменной кладки: при одинаковом количестве материала они могут иметь больший пролет, выдерживать больший вес и изготавливаться из более мелких и, следовательно, более удобных в обращении элементов. Экстрадос (наружная поверхность арки).

Импост – это блок в основании арки (вуассор непосредственно над импостом – пружина). Верхние точки импостов определяют уровень пружины. Участок арки между уровнем пружины и заплечиком (ориентированный примерно под углом 45°) называется кривой. Если арка опирается на колонну, импост формируется с помощью абака или его более толстой версии – доссера. Интрадос (внутренняя поверхность арки, также известная как подпруга).

Высота (высота арки, расстояние от уровня пружины до заплечика).
Светлый пролет.
Опора.

Треугольная часть стены между экстрадосом и горизонтальным разделением выше называется спандрелем. Половина сегмента арки (левая или правая) называется аркой, общая линия арки – аркатура (этот термин также используется для аркады). Архивольт – это видимая (лицевая) часть арки, иногда украшенная (иногда также используется для обозначения интрадоса). Если стороны вуассоров не прямые, а имеют углы и кривые для взаимного зацепления, арка называется "с засечками".

Движение в дуге

Настоящая арка, благодаря своему подъему, преобразует вертикальные нагрузки в горизонтальные и вертикальные реакции на опорах, что называется работой арки. Вертикальная нагрузка создает положительный изгибающий момент в арке, а направленная внутрь горизонтальная реакция от простенка/опоры обеспечивает противодействующий отрицательный момент. В результате изгибающий момент в любом сегменте арки значительно меньше, чем в балке с эквивалентной нагрузкой и пролетом. Диаграмма справа иллюстрирует разницу между нагруженной аркой и балкой. Элементы арки преимущественно испытывают сжатие (A), в то время как в балке присутствует изгибающий момент, с сжатием в верхней части и растяжением в нижней (B). В прошлом, когда арки строились из каменной кладки, горизонтальные силы на концах арки требовали массивных опор (например, Римская триумфальная арка). Другим способом противодействия этим силам и, следовательно, уменьшения размеров опор было использование встречных арок, как в аркадной галерее, где горизонтальное усилие каждой арки уравновешивается соседними арками, и требуется укрепление только крайних арок. С появлением новых строительных материалов (сталь, бетон, клееный брус) не только сами арки стали легче, но и горизонтальное усилие может быть дополнительно снижено с помощью стяжки, соединяющей концы арки.

Фуникулярные формы

Если оценивать с точки зрения количества материала, необходимого для выдерживания заданной нагрузки, то наиболее эффективными являются твердые конструкции, работающие только на сжатие; для гибких материалов то же справедливо для конструкций, работающих только на растяжение. Роберт Гук в 1676 году заметил фундаментальную симметрию в природе между твердыми конструкциями, работающими только на сжатие, и гибкими конструкциями, работающими только на растяжение: "Как висит гибкая цепь, так, будучи перевернутой, может стоять жесткая арка". Таким образом, изучение (и терминология) формы арок неразрывно связано с изучением висящих цепей, а соответствующие кривые или многоугольники называются фуникулярами. Подобно тому, как форма висящей цепи меняется в зависимости от приложенных к ней весов, форма идеальной (работающей только на сжатие) арки зависит от распределения нагрузки.

Условия

Последовательность арок может быть сгруппирована, образуя аркаду. Римляне довели эту форму до совершенства, что демонстрируют, например, арочные конструкции Пон-дю-Гар. В интерьерах базилик аркады разделительных арок использовались для отделения центрального нефа от боковых приделов или двух смежных боковых приделов. Двухъярусные арки, с двумя наложенными друг на друга арками, иногда применялись в исламской архитектуре, преимущественно в декоративных целях. Проём арки может быть заполнен, создавая глухую арку. Глухие арки часто носят декоративный характер и широко использовались в раннехристианской, романской и исламской архитектуре. Альтернативно, проём может быть заполнен меньшими арками, образуя охватывающую арку, распространённую в готической и романской архитектуре. Несколько арок могут быть наложены со смещением, создавая переплетённую серию, обычно (с некоторыми исключениями) состоящую из глухих и декоративных арок. Вероятнее всего, возникшие в исламской архитектуре, переплетённые аркады получили распространение в романском и готическом зодчестве. Задняя арка (также называемая рере-аркой) – это арка, обрамляющая внутреннюю сторону проёма во внешней стене.

Структурные

Структурно, разгрузочные арки (часто глухие или включающие в себя заполнение) могут использоваться для уменьшения нагрузки на отдельные части здания (например, для применения более тонких наружных стен с большими оконными проемами или, как в римском Пантеоне, для перенаправления веса верхних конструкций на определенные опорные точки). Поперечные арки, появившиеся в каролингской архитектуре, располагаются поперек нефа для разделения (вместе с продольными разделительными арками) внутреннего пространства на секции и поддержки сводов. Дьяфрагмальная арка также ориентирована в поперечном направлении, но несет на себе часть стены. Она применяется для поддержки или разделения участков высокой крыши. Распорные арки возводились как дополнительная мера для предотвращения обрушения двух соседних опор из-за неверных расчетов. Зачастую они были богато декорированы, одним из лучших примеров является собор в Уэллсе. Распорные арки могут быть "инвертированными" (перевернутыми), сохраняя при этом несущую функцию. При использовании в железнодорожных выемках для предотвращения обрушения стен, распорные арки могут называться арками-контрфорсами. Контр-арка строится вплотную к другой арке для противодействия ее горизонтальному давлению или для повышения ее устойчивости, например, при возведении контрфорсов.

Формы

Большое разнообразие форм арок (слева) в основном можно отнести к трем широким категориям: округлым, стрельчатым и параболическим.

Закругленные

"Круглые" полуциркульные арки обычно использовались для древних арок, построенных из тяжелой кладки, и римские строители широко применяли их начиная с IV века до нашей эры. Она считается наиболее распространенной формой арки, характерной для римской, романской и ренессансной архитектуры. Преимущества стрельчатой арки перед полуциркульной заключаются в гибком соотношении пролета к высоте и уменьшенной горизонтальной реакции в опорах. Это нововведение позволило создавать более высокие и близко расположенные проемы, типичные для готической архитектуры. Равносторонняя арка – наиболее распространенная форма стрельчатой арки, при которой центры двух окружностей, формирующих интрадос, совпадают с точками подъема противоположных сегментов. Вместе с вершиной они образуют равносторонний треугольник, откуда и название. Если центры окружностей расположены дальше друг от друга, арка становится более узкой и заостренной, как ланцетная, появившаяся во Франции в ранней готике (аббатство Сен-Дени) и получившая распространение в Англии в конце XII и начале XIII веков (Собор Солсбери). Если центры расположены ближе друг к другу, получается более широкая и притупленная арка. Интрадос куспидальной арки (также известной как многолопастная, полилопастная, полилобная и ракушечная арка) включает несколько независимых сегментов окружностей, расположенных в виде зубчатого узора. Эти преимущественно декоративные арки распространены в исламской архитектуре и поздней готике Северной Европы, а также встречаются в романской архитектуре. Подобная трелобная арка состоит всего из трех сегментов и иногда имеет округлую, а не заостренную вершину. Она была распространена в исламской архитектуре и романских зданиях, находившихся под ее влиянием, а позже стала популярной в декоративных мотивах поздней готики Северной Европы. Каждая арка огивальной арки состоит как минимум из двух сегментов окружностей (в общей сложности как минимум из четырех), причем центр верхней окружности находится за пределами экстрадоса. После появления в Европе в XIII веке на фасаде базилики Святого Марка, арка стала неотъемлемым элементом английского декоративного стиля, французского пламенеющего стиля, венецианского и других поздних готических стилей. Огивальная арка также известна как арка с обратной кривой, иногда ее называют инвертированной аркой. Верхняя часть огивальной арки иногда выступает за стену, образуя так называемую кивающую огиву, популярную в Англии XIV века (пульпитум в соборе Саутвелл). Каждая арка четырехцентровой арки состоит из двух сегментов окружностей с различными центрами; обычно радиус, используемый ближе к точке отпрыска, меньше и имеет более выраженную кривизну. Распространена в исламской архитектуре (персидская арка), а также с верхней частью, сплющенной почти до прямых линий (арка Тюдоров), в английской перпендикулярной готике. Килевидная арка – вариант четырехцентровой арки с почти прямыми боками, напоминающий вид перевернутого корабля. Популярна в исламской архитектуре, ее также можно встретить в Европе, иногда с небольшим огивальным элементом наверху, поэтому ее иногда считают разновидностью огивальной арки. Арка-занавес (также известная как арка с изгибом внутрь и, как и килевидная арка, обычно декоративная) не имеет кривизны. Вместо этого арка имеет плоский профиль и может использоваться в тех же случаях, что и перемычка. Однако перемычки подвержены изгибающим напряжениям, в то время как плоские арки являются настоящими арками, состоящими из неправильных клиновидных элементов (ключевой камень – единственный симметричной клиновидной формы), эффективно использующими прочность кладки так же, как и криволинейная арка, и, следовательно, требующими массивной кладки по обеим сторонам для поглощения значительного бокового распора. Использовалась в римской архитектуре для имитации греческих перемычек, исламской архитектуре, европейской средневековой и ренессансной архитектуре. Плоская арка до сих пор используется в качестве декоративного элемента, в основном в верхней части оконных проемов.

Ложные арки

Корбельная (также корбелированная) арка, созданная из двух консолей, соприкасающихся в середине пролета, в определенном смысле является настоящей аркой, поскольку способна нести нагрузку, но структурно она ложна, так как её элементы испытывают изгибающие напряжения. Типичный профиль не имеет кривизны, а представляет собой треугольник. Изобретенная до полуциркульной арки, корбельная арка использовалась уже в египетской и микенской архитектуре в III и II тысячелетиях до нашей эры. Как и корбельная арка, треугольная арка не является настоящей аркой в структурном плане. Её внутренняя поверхность формируется двумя плитами, опирающимися друг на друга. Каменщики называли треугольной любую арку с прямыми наклонными сторонами. Этот тип конструкции был распространен в англосаксонской Англии до конца XI века (церковь Святой Марии Гослини). Арки майя иногда называют треугольными из-за их формы.

Вариации

Некоторые преобразования могут быть применены к форме арок. Если один из импостов значительно выше другого, такая арка (часто заостренная) называется наклонной, опрокинутой или разбегающейся аркой. Изначально использовавшиеся для поддержки наклонных конструкций, таких как лестницы, в XIII–XIV веках они стали частью контрфорсов, предназначенных для противодействия распору готических нервюрных сводов. В этом случае, линия отбрасывания (пружинная линия) располагается выше импостов (на "подставках"). Эта техника была известна исламским архитекторам уже в VIII веке и использовалась для вертикального выравнивания вершин арок разных размеров в романской и готической архитектуре. Подставки были полезны для полукруглых арок, где отношение высоты к пролету фиксировалось на уровне 1/2 пролета, но применялись и к заостренным аркам. Косая арка (также известная как наклонная арка) используется, когда арке необходимо поворачиваться в горизонтальной плоскости, например, когда мост пересекает реку под углом, отличным от 90°. Раскрытая арка применяется в случае неравных пролетов по сторонам арки (когда, например, внутреннее отверстие в стене больше внешнего), внутренняя поверхность раскрытой круглой арки не цилиндрическая, а имеет коническую форму. Широкая арка, высота которой меньше 1/2 пролета (и, следовательно, геометрическая окружность как минимум одного сегмента находится ниже линии отбрасывания), называется перехваченной аркой (иногда также пониженной аркой). Арка с обрывом – это либо корзинная арка, либо тупая арка.

С навесными арками

Практические арочные мосты строятся либо как неразрезная арка, двухшарнирная, либо трехшарнирная. Это позволяет конструкции свободно перемещаться и компенсировать тепловое расширение и сжатие, вызванное изменениями температуры окружающей среды. Однако это может приводить к дополнительным напряжениям, поэтому двухшарнирная арка также является статически неопределимой, хотя и в меньшей степени, чем неразрезная. Она чаще всего используется для пролетов средней длины, например, для крыш больших зданий. Еще одним преимуществом трехшарнирной арки является то, что реакция в опорных шарнирах более предсказуема, чем у неразрезной арки, что позволяет использовать мелкие плитные фундаменты для пролетов средней длины. В трехшарнирной арке «тепловое расширение и сжатие арки вызовут вертикальные перемещения в верхнем шарнире, но не окажут существенного влияния на опоры», что дополнительно упрощает проектирование фундаментов. Примером может служить Ниппурская арка, построенная до 3800 г. до н.э. и датированная Х.В. Хилпрехтом (1859–1925) даже периодом ранее 4000 г. до н.э. Редкими исключениями являются арочный дверной проем из сырцового кирпича, датируемый ок. 2000 г. до н.э., обнаруженный в Тель-Тая (Ирак), и два арочных ханаанских городских ворот бронзового века – один в Ашкелоне (датируется ок. 1850 г. до н.э.), другой в Тель-Дане (датируется ок. 1750 г. до н.э.), оба расположены на территории современного Израиля. Эламская гробница, датированная 1500 г. до н.э. из Хафт-Теппе, содержит параболический свод, который считается одним из самых ранних свидетельств использования арок в Иране. Использование настоящих арок в Египте также началось в IV тысячелетии до н.э. (подземные цилиндрические своды на кладбище Дендера). Стоячие арки были известны, по крайней мере, с III династии, но сохранилось очень мало примеров, поскольку арки в основном использовались в недолговечных гражданских постройках и изготавливались из кирпичей-клиньев из сырцового кирпича, которые не имели клиновидной формы, а просто удерживались раствором и, следовательно, были подвержены обрушению (самая старая из сохранившихся арок находится в Рамессеуме). В священных зданиях использовались либо перекрытия, либо консольные арки. Арки в египетских храмах в основном отсутствовали даже после римского завоевания, хотя египтяне считали арку духовной формой и использовали ее в скальных гробницах и переносных святилищах. Огюст Мариетт предположил, что этот выбор был обусловлен относительной хрупкостью свода: «Что бы осталось от гробниц и храмов египтян сегодня, если бы они предпочли свод?» Эта архитектурная традиция была продолжена Сасанидской империей (224–651), которая построила Так-и Кисра в Ктесифоне в VI веке н.э. – самый большой свод, стоящий самостоятельно, до наших дней. Ранний европейский пример арки из клиновидных камней встречается в греческом пешеходном мосту на Родосе, датируемом IV веком до н.э. Протоарки также можно найти под лестницей храма Аполлона в Дидиме и стадиона в Олимпии.

Древний Китай

В древней архитектуре Китая (и Японии) преимущественно использовались каркасные деревянные конструкции и трабеированная система. Арки применялись редко, хотя в литературе упоминаются несколько арочных мостов и одна художественная зарисовка арочного рельефа, высеченного в камне. Поскольку единственными сохранившимися памятниками архитектуры династии Хань (202 г. до н.э. – 220 г. н.э.) являются оборонительные стены и башни, возведенные методом трамбовки земли, керамическая черепица с утраченных деревянных зданий, каменные ворота и подземные кирпичные гробницы, известные своды, купола и арки строились с использованием земляных подпор и не были самостоятельными конструкциями. Самый старый сохранившийся каменный арочный мост Китая – мост Аньцзи. Он до сих пор используется и был построен между 595 и 605 годами нашей эры во времена династии Суй.

Исламский

Исламские архитекторы восприняли римские арки, но быстро проявили свою изобретательность: к VIII веку простая полукруглая арка была почти полностью заменена более сложными формами, несмотря на немногочисленные прекрасные примеры первой в архитектуре Омейядов (например, Великая мечеть Дамаска, 706–715 гг. н.э.). Первые стрельчатые арки появляются уже в конце VII века нашей эры (мечеть Аль-Акса, дворец Ухайдир, цистерны Белой мечети в Рамле). Их вариации быстро распространились: мечеть Ибн Тулуна в Каире (876–879 гг. н.э.), медресе Низамия в Хар-Герде (ныне Иран, XI век), мечеть Конго на пляже Диани (Кения, XVI век). Исламская архитектура создала множество форм арок: круглую подковообразную арку, ставшую характерной чертой исламских зданий, килевидную арку, арку с кусписами и смешанную арку (где изогнутый "огибальный изгиб" чередуется с резкими ломаными линиями). В Большой мечети Кордовы, которую можно рассматривать как каталог исламских арок, также встречаются арки с почти прямыми сторонами, трехлопастные, перекрестные и с выступом. Мечеть Ибн Тулуна демонстрирует четырехцентровые и наклонные варианты стрельчатой арки. Весьма вероятно, что появление стрельчатой арки, важнейшего элемента готического стиля, в Европе (Монте-Кассино, 1066–1071 гг. н.э., и аббатство Клуни пять лет спустя) и огибальной арки в Венеции (1250 г.) является результатом исламского влияния, возможно, через Сицилию. Сауд также считает, что исламские архитекторы способствовали распространению поперечной арки. Смешанная арка стала популярной в стиле мудехар и впоследствии распространилась по испаноязычному миру.

Западная Европа

Крах Западной Римской империи оставил церковь единственным заказчиком масштабного строительства; все до-романские архитектурные стили заимствовали из римского строительства с его полуциркульной аркой. Из-за снижения качества строительства стены стали толще, а арки, соответственно, тяжелее, чем их римские прототипы. В конечном итоге архитекторы начали использовать глубину арки для декоративных целей, превращая глубокое углубление в ордер арки (или фасонную арку, последовательность постепенно уменьшающихся концентрических арок, каждая из которых выполнена с выступом). В романском стиле эксперименты с заостренной аркой начались в конце XI века (аббатство Клуни). В течение нескольких десятилетий эта практика распространилась (Дурхэмский собор, базилика Сен-Дени). Ранняя готика использовала гибкость заостренной арки, объединяя арки различной ширины, но одинаковой высоты. Хотя арки, использовавшиеся в средневековой Европе, были заимствованы из римской и исламской архитектуры, применение заостренной арки для создания нервюрного свода было новым и стало определяющей чертой готического строительства. Около 1400 года города-государства Италии, где заостренная арка не получила широкого распространения, инициировали возрождение римского стиля с его полуциркульными арками – Ренессанс. К XVI веку новый стиль распространился по Европе и, благодаря влиянию империй, по всему миру. Арка оставалась доминирующей архитектурной формой до появления новых строительных материалов, таких как сталь и бетон.

Индия

История арки в Индии очень длинна (предположительно, некоторые арки были найдены при раскопках в Косамби, датируемых II тысячелетием до н.э.). Однако, непрерывная история начинается с арок, высеченных в скале, в пещере Ломас Риши (III век до н.э.). В Рахигархи была отмечена сводчатая крыша ранней погребальной камеры хараппской цивилизации. С. Р. Рао сообщает о сводчатой крыше небольшой комнаты в доме из Лоталя. Барельные своды также использовались в культуре позднего хараппского кладбища H, датированной 1900–1300 гг. до н.э., образуя крышу печи для металлургии. Открытие было сделано Ватсом в 1940 году во время раскопок в Хараппе. Использование арок до исламского завоевания Индии в XII веке н.э. было эпизодическим, с арочными и сводчатыми конструкциями в скальных храмах (пещеры Карла, начиная с I века до н.э.) и декоративными заострёнными арками гавакша. К V веку н.э. своды из волют (виусоров) стали использоваться в кирпичном строительстве в качестве несущих конструкций. Сохранившиеся примеры включают храм в Бхитаргаоне (V век н.э.) и храм Махабодхи (VII век н.э.), последний из которых имеет как заострённые, так и полукруглые арки. Эта система сводов эпохи Гуптов позже широко использовалась в бирманских буддийских храмах в Пью и Багане в XI и XII веках. С приходом исламского и других западноазиатских влияний арки стали заметным элементом индийской архитектуры, хотя конструкция с колоннами и перекрытиями оставалась предпочтительной. Разнообразие заострённых и лопастных арок было характерно для индоисламской архитектуры, монументальным примером которой является Буланд Дарваза, с заострённой аркой, украшенной небольшими стрельчатыми арками.

Доколумбовая Америка

В архитектуре майя использовались своды из коруга. Другие мезоамериканские культуры использовали исключительно плоские крыши, не применяя арок вообще, хотя некоторые исследователи предполагают, что архитекторы майя и ацтеков понимали принцип истинного свода.

Возрождение трабеированной системы

Введение кованого железа (а позже стали) в строительство в XIX веке изменило роль арки. Благодаря высокой прочности на растяжение новых материалов, стали возможны относительно длинные перемычки, что продемонстрировал трубчатый мост Британия (Роберт Стивенсон, 1846–1850). Страстный сторонник системы перекрытий Александр "Греческий" Томсон, чье предпочтение перемычек изначально основывалось на эстетических критериях, заметил, что пролеты этого моста длиннее, чем у любой когда-либо построенной арки, и поэтому "простая, незамысловатая каменная перемычка содержит в своей структуре все научные средства, использованные в большом трубчатом мосту. [ ] Стоунхендж построен более научно, чем Йоркский собор". Использование арок в мостостроении продолжалось (мост Британия был перестроен в 1972 году как арочная ферма), однако стальные и железобетонные каркасы в основном заменили арки в качестве несущих элементов в зданиях.

Строительство

Как форма, основанная исключительно на сжатии, эффективность арки объясняется тем, что многие строительные материалы, такие как камень и неармированный бетон, обладают высокой прочностью при сжатии, но становятся хрупкими при растяжении.

Масонство

Весоры могут быть клиновидными или иметь форму прямоугольного параллелепипеда, в последнем случае клиновидную форму обеспечивает раствор. Арка удерживается на месте весом всех ее элементов, что делает строительство сложной задачей. Одним из решений является возведение каркаса (исторически, деревянного), который точно повторяет форму нижней стороны арки. Этот каркас называется центром или опалубкой. Весоры укладываются на него до завершения арки и достижения ею самонесущей способности. Для арки высотой более человеческого роста потребуется строительные леса, которые можно объединить с подпоркой арки. Арки могут обрушиться при удалении опалубки, если были допущены ошибки в проектировании или строительстве. Старые арки иногда нуждаются в усилении из-за разрушения замковых камней, что приводит к образованию так называемой "голой" арки.

Железный бетон

В железобетонных конструкциях используется принцип арки для использования прочности бетона при сопротивлении сжимающим усилиям. Если возникают другие виды напряжений, такие как растягивающие или крутящие, им должны противостоять тщательно расположенные арматурные стержни или волокна.

Архитектурные стили

Тип арок (или их отсутствие) — одна из наиболее выразительных черт архитектурного стиля. Например, когда Генрих Хюбш в XIX веке пытался классифицировать архитектурные стили, его "первичными элементами" были крыша и несущие конструкции, а основными типами верхнего уровня — балочные (без арок) и арочные (основанные на арках). Дальнейшее разделение арочных стилей он проводил, исходя из использования круглых и стрельчатых арок.

Культурные отсылки

Постоянное горизонтальное давление арки на опоры породило поговорку "арка никогда не спит", которую приписывают множеству источников, от индусов до арабов. Эта пословица подчеркивает, что арка несет в себе "зародыш разрушения" для себя и для конструкции, в которой она заключена – утверждение, которое подтверждается при взгляде на римские руины. Сюжет романа Дж. Мида Фолкнера "Туманная мантия", вдохновленный обрушением башни в Чичестерском соборе, играет с этой идеей, повествуя о медленном разрушении церковного здания. Сауд объясняет пословицу как цепную саморегуляцию горизонтальных и вертикальных сил в арке и ее "универсальную приспособляемость".