Фермы перекрытий

Современному человеку кажется совершенно очевидным, что стропила и перекрытия из коротких брусьев лучше всего делать, как в детском конструкторе, соединяя эти брусья в конструкцию треугольной формы (рис. 92).

Рис. 92. Ферма из коротких деталей.

Мы пришли к решетчатой ферме. Всем нам примелькались подобные конструкции стальных железнодорожных мостов. Любая конструкция такого рода, составленная из треугольников, называется фермой. Как и длинная сплошная балка, правильно сконструированная ферма позволяет экономно перекрывать длинные пролеты, не оказывая опасного бокового давления на поддерживающие ее стены. Применение ферм (и теория ферм), как и применение балок (и теория балок), в современной технике не ограничивается строительством зданий, оно гораздо шире. Фермы используются в конструкциях судов, самолетов, мостов и многих других машин и сооружений. Как мы видели в предыдущей главе, стянутая арка представляет собой еще одну реализацию той же идеи.

Однако в архитектуре ферма, или решетка из балок, внедрялась удивительно медленно. В наиболее простой ферме - в виде деревянных стропил крыши - эта идея может показаться совершенно очевидной, однако нашим предкам потребовалось немало времени для ее освоения. Они ведь никогда не видели железнодорожных мостов и не играли с детским конструктором. Стропила и фермы были, как оказалось, изобретением позднего Рима, хотя вплоть до средневековья никогда по-настоящему не применялись. Архитектуре удавалось обходиться без ферм на протяжении почти всей античной эпохи.

Греческим строителям никогда не приходила в голову сама идея ферм. Великие афинские архитекторы Мнесикл, построивший Пропилеи, и Иктин, создатель Парфенона и храма Аполлона в Бассах, сознательно отвергли использование арок и куполообразных сводов для перекрытий. И все же они оказались не способны придумать стропила или какой-либо достойный их эквивалент. Блеск эллинской архитектуры меркнет, как только нам попадается архитрав. Греческие кровли говорят о некотором недомыслии античных архитекторов.

Обычные каменные балки или перемычки нельзя использовать для надежного перекрытия пролетов длиной более 2,5 м - они могут обвалиться. Сознавая это, древние греки встали перед необходимостью использовать для перекрытий храмов и других зданий деревянные балки, хотя в античной Греции деловая древесина становилась столь же дефицитной, как и в современной.

В тех случаях, когда для храма можно было найти необходимое количество деревянных брусьев во всю длину перекрытия, эти балки укладывали горизонтально прямо на стены и каменные перемычки перистиля. Сверху накладывался достаточный настил, так что получался сплошной потолок над всей площадью здания (рис. 93).

Рис. 93. Крыша древнегреческого храма.

Но крышу, естественно, нужно было сделать водонепроницаемой, для этого над потолком сооружали большой холм из глины, смешанной с соломой и водой. Таким образом, на храм средних размеров наваливали кучу глины весом около 3 тыс. т. Затем весь этот "агротехнический" материал хорошо утрамбовывали и выравнивали, так чтобы холм приобрел треугольную форму с плоским скатом. После этого прямо поверх глины примерно так, как укладывают плитки на садовых дорожках, укладывали черепицу. Надо думать, строители рассчитывали на то, что огромная масса сырой глины высохнет прежде, чем начнет гнить поддерживающий ее потолок. Высыхая и растрескиваясь, глина, должно быть, становилась превосходным убежищем для всякого рода паразитов; но она же обеспечивала и прекрасную термоизоляцию, что особенно ценно в условиях жаркого климата. Однако чаще приходилось довольствоваться короткими бревнами небольшой длины. Царь Соломон, чтобы получить ливанский кедр для своего дворца, заключил даже политическое соглашение с царем Хирамом, и несмотря на это балки на крыше его дворца были длиной лишь по 17 локтей (примерно 7 м). В греческих храмах эти балки были еще короче, чем во дворце Соломона и подпирались снизу рядами колонн, хотя зачастую это было довольно неудобно. В одном большом дорическом храме (около 550 г. до н. э.) в Пестуме, на юге Италии, линия колонн проходит прямо посреди зала, разделяя его на два равных крыла. Это не могло не мешать проведению религиозных церемоний. В более поздних храмах встречается уже симметричное расположение колонн, которое было удобнее (рис. 94), но даже Парфенон разделен изнутри колоннами, которые нам кажутся излишними.

Рис. 94. В храмах V в. крышу удавалось соорудить без использования ферм.

Наиболее простым видом ферм, используемых для перекрытий, является конструкция А-образной формы, появившаяся в Средние века. Нижнюю часть фермы, воспринимающую горизонтальные нагрузки, строители называют ригелем. Обычно не представляет труда найти для ригеля достаточно длинные бревна, чтобы сделать простую треугольную ферму (рис. 95) для небольших пролетов.

Однако уже двухэтажные дома с такими перекрытиями непропорциональны и выглядят довольно нелепо. При этом бесполезно пропадает большое пространство под крышей. Поэтому строители стараются более высоко располагать ригель, что позволяет размещать внутри крыши комнаты, используя, где необходимо, слуховые окна. Но у ферм с высоко расположенными ригелями под действием веса крыши выгибаются и пружинят стропила, создавая боковую нагрузку на стены (рис. 96), что в конечном счете может дорого обойтись. Чем выше расположен ригель, тем, естественно, эта опасность больше.

Рис. 95. Обычный двухэтажный дом

Рис. 96. Последствия использoвания фермы с высоко поднятым ригелем (преувеличено, но не слишком).

Серьезной проблемой было сооружение крыши для средневековых залов и соборов, имевших зачастую большие пролеты. Использование в них ферм, возможно, было бы дешевле, чем сооружение арочных или куполообразных сводов. Однако, окажись даже под рукой достаточно длинные бревна для ригелей и стропил, они нависли бы почти над головой и весь архитектурный эффект зала или нефа был бы потерян, в частности, были бы закрыты большие восточное и западное окна. Поскольку в те времена внешнему виду придавали большее значение, чем функциональности, то строители континентальной Европы оставались верными каменным сводам, используя для поддержки арочных крыш изощренную и дорогую систему контрфорсов.

В этой связи интересно отметить, что английские строители выработали компромиссный вариант деревянной крыши, который можно назвать скорее гениальным, чем научно обоснованным: перекрытие с подблочником (рис. 97).

Рис. 97. Компромиссный английский вариант перекрытия.

Подобные крыши больших зданий стали в Англии довольно популярными; их можно увидеть на таких зданиях, как Вестминстер-холл, и на многих колледжах Оксфорда и Кембриджа, а также на некоторых больших частных домах. Выглядят они очень хорошо и этим, вероятно, отчасти обязаны тем возможностям, которые предоставляют в распоряжение резчиков по дереву многочисленные "суставы" ферм. Почитатели Дороти Сойерс вспомнят приключения Питера Вимсея среди ангелов и херувимов, вырезанных на деревянных балках церкви св. Павла в Фенчерче[78].

От обычных стропил с высоким ригелем перекрытие с подблочником отличается тем, что в нем точка приложения распирающего давления к наружным стенам существенно смещается вниз, а это уменьшает опасные смещения линии давления. Хотя этот тип перекрытий хорошо себя зарекомендовал на практике, континентальные архитекторы никогда им не увлекались и вне Англии он применялся считанное число раз.

В традиционных деревянных фермах соединения обычно выполнялись с помощью деревянных нагелей, а иногда железных хомутов. Такие соединения вообще-то не отличаются особыми качествами, но главным требованием к таким конструкциям была скорее жесткость, чем прочность.

В больших современных сооружениях - заводских цехах, ангарах и складах - фермы перекрытий часто делаются из стальных деталей, например уголкового профиля, и в этом случае особых проблем с прочностью соединений не возникает. В небольших домах фермы перекрытия в наши дни почти всегда делают деревянными, обычно брусья выбираются минимально возможной толщины. Жесткости потолочных балок порой может хватать только на то, чтобы с потолка не сыпалась штукатурка. При модной сейчас переделке чердака в дополнительную комнату наибольшие осложнения сулит недостаточная жесткость пола. Хотя балки перекрытия едва ли треснут, вес людей и мебели может вызвать серьезные и дорогостоящие повреждения дома. Мастерам-любителям это полезно иметь в виду.