Арка - одна из древнейших строительных несущих конструкций. Арки издревле использовались не только в качестве стеновых перемычек, имеющих относительно небольшую длину, но и для выполнения сводчатых перекрытий, при строительстве мостов, виадуков и прочих инженерных сооружений с достаточно большими пролетами. И вовсе не потому, что арочный свод, символизирующий небесный, выглядит намного эстетичнее, чем обычная прямолинейная балка, например, железобетонная перемычка или перекрытие из железобетонных плит. Уникальность арок в том, что для их изготовления можно использовать практически любые материалы.
В отличие от балок, материал которых работает как на сжатие, так и на растяжение, материал арок, при правильно подобранных параметрах, работает только на сжатие, поэтому для изготовления арок совсем не обязательно использовать металл или древесину, а можно использовать любые природные или искусственные камни, обладающие достаточной для этого прочностью, что с успехом и делали наши предки:
|
|
Фотография 1. Арочный мост из натурального камня.
Впрочем, не исключено, что такую конструкцию они подсмотрели у самой природы:
Фотография 2. Естественная арка (Франция)
Понять суть работы материала арки можно на следующем простом примере: любая прямолинейная балка на шарнирных опорах, изготовленная из материала, имеющего модуль упругости меньше бесконечности (а пока только такие материалы используются в строительстве), под воздействием нагрузки будет прогибаться.
Рисунок 174.5.1. Прогиб балки под действием нагрузки.
Происходит это потому, что под действием нагрузки, например, сосредоточенной, как показано на рисунке 174.5.1, в поперечных сечениях балки возникают нормальные (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 получается как бы перевернутая арка. Ничего страшного или необычного в этом нет, прогиб можно определить и вообще подобрать сечение балки так, чтобы прогиб не влиял на работу балки.
Но если взять балку, подобную изображенной на рисунке 174.5.1, уже имеющую некоторую кривизну оси, относительно большую по сравнению с пролетом, и перевернуть ее, то мы получим арку в первом приближении. В первом потому, что если такая балка будет опираться одну шарнирные опоры только с одной горизонтальной связью, как это обычно принимается при расчете балок:
Рисунок 219.2. Шарнирно опертая безконсольная балка.
то под действием нагрузки арка все также будет деформироваться, т.е. в верхней части поперечных сечений будут возникать сжимающие, а в нижней части - растягивающие напряжения. Чтобы этого не происходило, на обоих шарнирных опорах арки должны быть как вертикальные связи (показаны на рисунке 219.1 фиолетовым цветом), так и горизонтальные связи (показана на рисунке 219.1 голубым цветом). Это означает, во-первых, что на опорах арки возникают распорные усилия, которые необходимо учитывать при расчете опор, а во-вторых, такая криволинейная конструкция с дополнительной горизонтальной связью становится один раз статически неопределимой. А если у арки будут жестко защемленные опоры, то такая арка будет три раза статически неопределимой.
|
|
Чтобы сделать шарнирно опертую арку статически определимой, как правило посредине арки (в самом высоком месте) добавляется еще один шарнир. Этот центральный шарнир называется
Замком арки
впрочем, шарнира посредине может и не быть, и тогда сечение, через которое проходит ось симметрии арки, называется
Ключом арки
а расстояние между замком или ключом арки и осью, проходящей через шарнирные опоры, называется