види арок

Попередня ↔ Наступна

Арка - одна з найдавніших будівельних несучих конструкцій. Арки з давніх-давен використовувалися не тільки в якості стінових перемичок, що мають відносно невелику довжину, але і для виконання склепінних перекриттів, при будівництві мостів, віадуків та інших інженерних споруд з досить великими прольотами. І зовсім не тому, що арочний звід, що символізує небесний, виглядає набагато естетичніше, ніж звичайна прямолінійна балка, наприклад, залізобетонна перемичка або перекриття із залізобетонних плит. Унікальність арок в тому, що для їх виготовлення можна використовувати практично будь-які матеріали.

На відміну від балок, матеріал яких працює як на стиск, так і на розтягнення, матеріал арок, при правильно підібраних параметрах, працює тільки на стиск, тому для виготовлення арок зовсім не обов'язково використовувати метал або деревину, а можна використовувати будь-які природні або штучні камені , які мають достатню для цього міцністю, що з успіхом і робили наші предки:

Фотографія 1. Арочний міст з натурального каменю.

Втім, не виключено, що таку конструкцію вони підгледіли у самої природи:

Фотографія 2. Природна арка (Франція)

Зрозуміти суть роботи матеріалу арки можна на наступному простому прикладі: будь-яка прямолінійна балка на шарнірних опорах, виготовлена з матеріалу, що має модуль пружності менше нескінченності (а поки тільки такі матеріали використовуються в будівництві), під впливом навантаження буде прогинатися.

Малюнок 174.5.1. Прогин балки під дією навантаження.

Відбувається це тому, що під дією навантаження, наприклад, зосередженої, як показано на малюнку 174.5.1, у поперечних перетинах балки виникають нормальні (поздовжні) стискають і розтягують напруги. При цьому у верхній частині перетину діють стискають напруги, а в нижній частині - напруження розтягу. Під дією цих напруг верхня частина балки стискається, а нижня - розтягується. У підсумку виходить ніби перевернута арка. Нічого страшного чи незвичайного в цьому немає, прогин можна визначити і взагалі підібрати переріз балки так, щоб прогин не впливав на роботу балки.

Але якщо взяти балку, подібну зображеною на малюнку 174.5.1, вже має деяку кривизну осі, відносно велику в порівнянні з прольотом, і перевернути її, то ми отримаємо арку в першому наближенні. У першому тому, що якщо така балка буде спиратися одну шарнірні опори тільки з однієї горизонтальної зв'язком, як це зазвичай приймається при розрахунку балок:

Малюнок 219.2. Шарнірно оперта безконсольная балка.

то під дією навантаження арка все також буде деформуватися, тобто у верхній частині поперечних перерізів будуть виникати стискають, а в нижній частині - напруження розтягу. Щоб цього не відбувалося, на обох шарнірних опорах арки повинні бути як вертикальні зв'язку (показані на малюнку 219.1 фіолетовим кольором), так і горизонтальні зв'язки (показана на малюнку 219.1 блакитним кольором). Це означає, по-перше, що на опорах арки виникають розпірні зусилля, які необхідно враховувати при розрахунку опор, а по-друге, така криволінійна конструкція з додатковою горизонтальною зв'язком стає один раз статично невизначеної. А якщо у арки будуть жорстко затиснені опори, то така арка буде три рази статично невизначеної.

Щоб зробити шарнірно оперту арку статично визначної, як правило посередині арки (в найвищому місці) додається ще один шарнір. Цей центральний шарнір називається

замком арки

втім, шарніра посередині може і не бути, і тоді перетин, через яке проходить вісь симетрії арки, називається

ключем арки

а відстань між замком або ключем арки і віссю, що проходить через шарнірні опори, називається

стрілою арки або стрілою підйому арки

Як і прогин балки стріла арки позначається літерою f. Опору арки називають

п'ятої арки

Як і для балки, відстань між шарнірними опорами називається

прольотом арки

Щоб мінімізувати вплив горизонтальних розпірних зусиль, арки можуть виготовлятися із затягуванням. В цьому випадку затягування сприймає горизонтальні зусилля, тобто працює на розтяг і тому повинна виготовлятися з відповідних матеріалів, наприклад, деревини або металу.

аркою можна назвати будь-який має необхідні горизонтальні зв'язки криволінійний брус, опуклість якого спрямована проти дії основного навантаження. Брус може бути як суцільного, так і наскрізного перерізу, геометричні розміри перерізу можуть бути як постійними, так і мінливими по довжині

Завдяки цьому різноманітність арок практично нескінченно:

Малюнок 269,1. Основні види арок:

а) - двухшарнирная, один раз статично невизначена арка (вісь арки описується рівнянням кола);

б) - трехшарнірних, статично визначні арка (далі наводяться розрахункові схеми для трехшарнірних арок);

в) - арка із затягуванням на опорах;

г) - арка із затягуванням вище опор;

д) - арка наскрізного перетину (таку арку можна розглядати як дві окремі арки з затяжками), втім частини такої арки можуть становити також ферми;

е) - арка змінного перерізу;

ж) - параболообразная арка (вісь арки описується гіперболою);

з) - стрельчатая арка (вісь арки описується двома рівняннями кола), окружності перетинаються в ключі або замку арки;

і) - арка ламаного профілю;

к) - трикутна арка, трикутну арку із затягуванням на опорах можна розглядати як найпростіший вид ферми. Приклад розрахунку трикутної арки із затягуванням на опорах можна подивитися тут.

На малюнку 269,1 представлені лише основні варіанти арок. Якщо до цього додати розрахункові схеми всіх зазначених арок з різними варіантами затяжки, з різними радіусами, з різною кількістю сегментів ламаної, з різним зміною перетину і ще всі перераховані варіанти, тільки на жорстко затиснених опорах, то стане зрозуміло, що різноманітності арок несть числа. А адже це розглядалися тільки плоскі (2D) арки, а ще є і арки, які є просторовими (3D), розраховувати які ще складніше, ніж плоскі. Але найдивніше в арках те, що наші предки робили не тільки арочні перемички, а й арочні перекриття задовго до того, як з'явилася теоретична механіка, теорія опору матеріалів, теорії пружності та інші дисципліни, без яких розрахунок будівельних конструкцій сьогодні важко здійснимо.