Как построить экодом. Содержание.
Нубийские своды; возведение оптимального купола
При устройстве нубийских цилиндрических сводов, распространенных многие века в Верхнем Египте, опалубку не применяли.
Своды выкладывали из саманного кирпича наклонными арками. На рисунке 1 изображен нубийский свод, которому уже 3200 лет.
Рис. 1 Древний нубийский сводОн находится на территории храма Рамзеса II, возле Луксора. Изученные исторические постройки показали, что древние мастера при устройстве сводов применяли кирпич, который имел следующие размеры: ширина 15 см, длина 25 см и толщина 5-6 см. При незначительной массе кирпичи имели большую площадь опирания, которая препятствовала соскальзыванию кирпича, уложенного в наклонное положение. Угол наклона арки принимался непосредственно в момент ее устройства и находился в пределах 65—70° по горизонтали. Натурными испытаниями было доказано, что если угол наклона арки меньше указанного значения, то нижняя часть свода может разрушиться в процессе его кладки, а если угол наклона больше, то происходит соскальзывание кирпича.
Для нубийских сводов требуется одна или две вертикальные стены, которые служат опорой для наклонных арок. В качестве опоры может также служить центральная опорная арка, выложенная при помощи опалубки (рис. 2).
Рис. 2При кладке сводов их форму рекомендуют выбирать таким образом, чтобы конструкция работала только на сжатие. Традиционный способ кладки нубийского свода был усовершенствован сотрудниками лаборатории FEB. Во-первых, в нижней части свода применяли кирпич размером 20x20x6 см, а в верхней части — кирпичи конической формы, с уменьшенной на 1,5 см стороной. Таким образом удалось сократить затраты труда и сэкономить раствор. Эмпирическим путем было доказано, что при кладке сводов на растворе оптимальной консистенции можно применять кирпич толщиной до 10 см. Это также приводит к экономии раствора и сокращает трудозатраты. Вторым усовершенствованием стало использование при кладке свода натянутых веревок для контроля его формы. Веревки натягивали от одной «опорной стены» к другой, но закрепляли только с одной стороны, при этом другой конец веревки пропускали через кольцо, и на него подвешивали камень. Благодаря грузу веревка в случае удара или толчка не рвется и ее натяжение не ослабевает. При устройстве наклонных арок рекомендуют кирпичи укладывать таким образом, чтобы они касались друг друга внутренними ребрами, а швы с наружной стороны свода укрепляют клиньями из обломков камня (рис. 3).
Рис. 3Нубийский свод из грунтового кирпича размером 10x10x20 см, выложенный «в елку», представлен на рисунке 4. Его испытания, проведенные в лаборатории FEB, показали высокую устойчивость конструкции. Однако при производстве работ были приложены значительные усилия для соблюдения правильной геометрической формы свода, несмотря на то, что она сначала моделировалась.
Рис. 4Афганские и персидские купола
В Афганистане куполообразные крыши возводят без применения опалубки. При этом плоские грунтовые кирпичи укладывают под углом 30° к горизонту. 5—6 строителей выкладывают покрытие здания размером 4X4 м за полдня.
При кладке арок грунтовые кирпичи соприкасаются нижними ребрами, а в верхний зазор вставляются клинья. Уложенные в распор на несхватившемся растворе кирпичи образуют устойчивую и прочную конструкцию, которая не разрушается от собственного веса, а также позволяет выдерживать нагрузку от работающих на ней специалистов. В лаборатории FEB созданы различные модели, доказывающие возможность применения этих способов возведения. Возможно также их сочетание с другими способами при покрытии зданий разнообразных геометрических форм (рис. 5).
Рис. 5 Покрытия глинобетонных зданий различных формНа рисунке 6 изображена разновидность афганского куполообразного покрытия, которое раньше было широко распространено в Персии, поэтому его часто называют персидским куполом. Наклонные арки имеют опоры во всех четырех углах конструкции. На этой модели в верхней части представлены четыре сводчатых проема, которые служат в качестве приточной вентиляции.
Рис. 6 Персидский куполНубийские купола
Способ возведения нубийских куполов был известен в Верхнем Египте в течение тысячелетий. Грунтовый кирпич выкладывали в круговые ряды при помощи шаблона (рис. 7) под углом относительно центральной оси.
Рис. 7 Способ возведения нубийских куполовЭтот способ каменной кладки позволял избежать соскальзывания выложенных кирпичей и требовал применения специального клинообразного кирпича (рис. 8). Поскольку трудозатраты данного способа каменной кладки высоки, при возведении куполов кирпичи не разворачивали, а выкладывали радиально.
Рис. 8 Кладка нубийского куполаНубийский купол можно выложить только сферической формы, что является главным недостатком. Кольцевые растягивающие напряжения в сферических куполах возникают в нижней секции. Поэтому при перекрытии больших пролетов следует дополнительно усиливать нижнее опорное кольцо стальными полосами или устраивать железобетонные кольцевые балки. В противном случае купол может разрушиться, как уже случалось на практике.
Группа « Development Workshop», Лозерт (Франция) возвела вышеописанным способом купола на несколь-ких жилых домах, административных и общественных зданиях в Нигере (рис. 9). При производстве работ вместо традиционного поворотного шаблона был использован поворотный шаблон с эксцентриситетом, благодаря чему достигнута форма, позволяющая избежать кольцевых растягивающих напряжений в нижней части конструкции. Тем не менее, эти напряжения могут возникнуть при устройстве больших оконных или дверных проемов.
Рис. 9 Возведение нубийского купола с помощью поворотного шаблона с эксцентриситетомКупол оптимальной формы
Специалистами лаборатории FEB была усовершенствована технология возведения куполов. С помощью нового поворотного шаблона удалось избежать недостатков, возникающих при возведении куполов традиционным способом, а также добиться оптимальной формы купола без использования опалубки. При такой форме удается избежать как растягивающих, так и сжимающих кольцевых усилий. Методика получения данной формы описывается в статье 44 «Планировка и расчет сводчатых и куполообразных крыш».
Поворотный шаблон имеет направляющую рейку, которая располагается параллельно к поверхности возводимого купола и вращается по горизонтали. Направляющая рейка связана с вертикальной стойкой с помощью профиля таврового сечения. На фото ниже показано возведение купола с пролетом 7 м и высотой 6 м с помощью поворотного шаблона в университете г. Касселя (Германия), в 1992 г.
Рис. 10 Возведение купола оптимальной формы с помощью поворотного шаблонаНа вершине купола установлен 16-сторонний световой фонарь в форме пирамиды. Толщина стенок купола составляет 20 см. Оптимальная форма купола была получена с помощью компьютерной программы, что позволило избежать кольцевых усилий.
Для того чтобы не допустить соскальзывания кирпичей в верхних рядах, их укладывали не прямо перпендикулярно поверхности купола, а с меньшим уклоном, из-за чего угол наклона верхнего ряда кладки на 20° меньше по сравнению с традиционным возведением куполов. Данный способ возведения имеет еще одно преимущество: звук не фокусируется. Грунтовые кирпичи конической формы изготовлены на прессе со специальным мундштуком.
Обжиг грунтовых куполов
Персидский архитектор Надер Халили возвел в Иране и США несколько грунтовых куполов, которые затем обжигали изнутри.
Применение четырех стихий — земли, воды, воздуха и огня при возведении зданий придает им некоторые недостатки. При сжигании бревен, веток и прутьев происходит выброс вредных веществ в атмосферу, при этом также затрачивается много энергии. Более того, огонь нельзя полностью контролировать, следовательно, данный процесс нельзя считать оптимальным. В результате неравномерного нагревания кирпича могут появиться трещины, что в свою очередь может привести к потере прочности конструкции. К тому же большинство пор в кирпиче при обжиге закрывается, при этом способность материала поглощать и отдавать влагу значительно уменьшается, следовательно, теряется главное преимущество глинобетона как строительного материала.
