Под крышей дома своего: эволюция крыши
Первое рукотворное жилище человека состояло исключительно из крыши. Древние викинги строили свои дома в виде двускатного шалаша, покрывали его торфом. Такие дома могли быть очень длинными, до 50 метров, ведь иного способа увеличить полезную площадь дома не было. Другие народы строили дом в виде шатра, хотя домом его можно назвать только с натяжкой. В том смысле, что у него не было стен и фундамента, не было окон.
Впоследствии, когда все эти, безусловно, необходимые части здания появились, крыша обособилась и стала отдельным конструктивным элементом дома. Причем одним из самых значимых элементов, наравне с фундаментом. Даже соотношение расходов в нашей климатической полосе на крышу и фундамент почти одинаковое - 20-30%. Продуманная конфигурация и качественное исполнение крыши - залог здоровья Вашего дома.
Жить в доме с "поехавшей" крышей по меньшей мере не комфортно, все равно, что ходить по улице - в рваной шляпе - осенью подтекает, зимой поддувает.
Эволюция крыши
Многие римские здания, а также все византийские культовые сооружения имели сводчатые или арочные перекрытия, создающие сильное боковое давление. Поэтому поддерживающие их стены обычно имеют очень большую толщину.
Средневековые замки тоже часто строились без существенных отклонений от римских традиций - с монолитными стенами многометровой толщины. Такие стены могли, конечно, выдержать давление сводчатых перекрытий, а по вполне понятным соображениям военного характера защитники замка предпочли бы вовсе обойтись без окон.
Трудности появились позднее и связаны были в основном с растущей модой на большие и светлые окна. Однако эффект - от таких окон в значительной, мере теряется, если их вставлять в похожие на тоннель отверстия в толстой стене. Попытки же делать большие окна при тонких стенах неизбежно приводили к катастрофам. По старым канонам устойчивость и надежность определяются толщиной стен.
Тем не менее, это не всегда останавливало строителей, и, наверное, именно позднероманские постройки породили афоризм: "Вопрос не в том, упадет ли, а в том, когда именно?" Древним архитекторам просто не приходило в голову, что вместо арок гораздо дешевле и проще применять для поддержания кровли какие-нибудь балки.
Если над пролетом между стенами положить длинные наклонные балки, или стропила, и связать их поясом на уровне опирания, то они будут передавать вес крыши через свои концы вертикально вниз, не оказывая никакого распирающего давления. В результате нежелательных отклонений линии давления от вертикали не возникнет, стены могут быть достаточно тонкими.
Уже по одной только этой причине балка является одним из важнейших элементов всех строительных конструкций. И вообще, балки и теория изгиба балок — это одна из главных идей технического прогресса, без которой он был бы невозможен.
Слово "балка" на староанглийском означает "дерево", оно до сих пор сохранилось в английских названиях отдельных деревьев, например березы и граба. Сегодня балки чаще всего делают из стали и железобетона, однако в прошлом на протяжении столетий при строительстве слово "балка" означало деревянный брус, часто даже целый ствол дерева. Когда европейцы вырубили у себя все деревья, длинные брусья стали редкостью. Надо было придумать крышу из более коротких деталей. Вот тогда и была изобретена конструкция под названием "ферма" — система из нескольких взаимодополняющих треугольников, где использовались короткие детали.
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.
Однако в архитектуре ферма, или решетка из балок, внедрялась удивительно медленно. 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. 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.
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.
Все началось с буквы "А"
В Средние века появилась самая простая и удобная разновидность фермы в виде буквы А. Нижнюю часть фермы, воспринимающую горизонтальные нагрузки, строители называют ригелем. Обычно не представляет труда найти для ригеля достаточно длинные бревна, чтобы сделать простую треугольную ферму 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, что, в конечном счете, может дорого обойтись. Чем выше расположен ригель, тем, естественно, эта опасность больше.
Все закончилось буквой "М"
Говоря примитивным языком, если взять букву М и вписать ее в треугольник, то мы получим простейшую стропильную ферму.
Действующая вниз нагрузка, или "перерезывающая сила", непосредственно воспринимается зигзагообразной конфигурацией диагональных элементов. Но ничто не мешает усложнить эту диагональную схему, введя дополнительные наклонные элементы. Проще говоря, поставить две буквы М рядом, и надстроить, над ними еще одну перевернутую М. В результате мы получаем целую диагональную решетку, которая способна выдерживать любые нагрузки. Обычно так и делают на домах большой площади. Это, конечно, примитивное объяснение, зато правдивое.
То же самое нередко можно встретить и в самой природе. Туловище и грудную клетку большинства позвоночных можно рассматривать как своего рода шарнирно опертую балку. Это достаточно очевидно на примере лошади. Кости ее позвоночника и ребра представляют собой сжатые элементы довольно хитроумной фермы Финка, а пространство между ребрами перекрещено сетью мышц, которые располагаются под углом примерно ±45° к ребрам.