Физика и архитектура

В нашем городе очень много зданий, построенных в 19 веке. Мне стало интересно, как они строились раньше, какие технологии строительства использовались и как физика связана с архитектурой.

Архитектурой называют не только систему зданий и сооружений, организующих пространственную среду человека, а самое главное – искусство создавать здания и сооружения по законам красоты.

Слово «архитектура» происходит от греческого «аркитектон», что в переводе означает «искусный строитель». Сама архитектура относится к той области человека, где особенно прочен союз науки, техники и искусства.

Еще в I в. до н. э. древнеримский архитектор Витрувий сформулировал три основных принципа архитектуры: практичность, прочность и красота. Здание практично, если оно хорошо спланировано и им удобно пользоваться. Оно прочно, если построено тщательно и надежно. Наконец, оно красиво, если радует глаз своими материалами, пропорциями или деталями убранства.

В архитектуре, как в никаком другом искусстве, тесно переплелись, постоянно взаимодействуя между собой, красота и полезность функционального назначения построек. Неделимое целое в архитектуре создается средствами эстетической выразительности, главным из которых является тектоника – сочетание конструкции архитектурной формы и работы материала. Воплощая свой замысел, архитектор должен знать многие физические свойства строительных материалов: плотность и упругость, прочность и теплопроводность, звукоизоляционные и гидроизоляционные параметры, функциональные характеристики света и цвета.

В основе выбора архитектурной композиции лежат данные многих наук: надо учитывать назначение сооружения, его конструкцию, климат местности, особенности природных условий. Среди всех наук физика занимает важное место, которое особенно возросло в современной архитектуре и строительстве.

Нашему городу в декабре 2006 года исполнилось 150 лет. Поэтому большинство домов построено более века назад.

Творение зодчих часто называют застывшей музыкой или каменной и деревянной летописью городов и поселков. Наш город тоже можно назвать городом – музеем.

«Мариинск наш не столица – деревянный без прикрас».

Издревле главными строительными материалами для русских зодчих были дерево и глина, благо что и того и другого было в избытке. Глиняные кирпичи, по свидетельству историков, получили на Руси распространение, начиная с середины X века, а дерево в качестве основного строительного материала использовалось с незапамятных времен. Именно деревянная архитектура стала основой особенного стиля русского средневекового зодчества, которое подразумевает оптимальное сочетание красоты и функциональности построек.

Главным, и часто единственным, орудием строителя долгие века оставался топор. Дело в том, что пила при работе рвет древесные волокна, оставляя их открытыми для воды. Топор же, сминая волокна, как бы запечатывает торцы бревен. Недаром, до сих пор говорят: «срубить избу». Поэтому пилы применялись исключительно в столярном деле.

Обычные дома были бревенчатые из хвойных пород, как правило, без фундамента, на песчаном основании. Мастера того времени с помощью одного лишь топора, пилы и нехитрых приспособлений оставили нам целую поэму в деревянном зодчестве.

Основой всякой постройки был сруб, который «вязался из бревен» с прокладкой между ними мха и пеньки. Чтобы кладка бревен выглядела ровной и красивой, их обтесывали «в лапу», кромки плотно удерживали стену в углах связки.

Модуль упругости:

древесина вдоль 10 – 12 ГПа поперек 0,5 – 1,05 ГПа бетон 3000 ГПа

Штукатурку стен выполняли из раствора, в который входили навоз, зола, глина, опилки и соломенная сечка. Для мирского люда кровлей служили доски 1(0. 5(0. 025м.

В Мариинске, как и по всей Сибири, конец 19 и начало 20 века характеризуется расцветом русского стиля застройки и украшения зданий богатым орнаментом.

Стены, окна, фронтоны, карнизы, ворота оформлялись резьбой. Отличительной чертой стали большие двухэтажные дома на прочных лиственных или каменных фундаментах.

В 1890 году был построен вокзал, здание одноэтажное, деревянное, фундамент каменный, крыша покрыта железом, отопление печное, был водопровод. С проведением сибирской ж/д, которая дала городу начало каменного строительства. В каменной постройке чувствовалось влияние московской архитектуры, отличающей в себе богатство и солидность. Каждый дом – это почти дворец.

Дома в кирпичном исполнении строились из местного кирпича, фундамент из бутового камня, который брали на Арчекасе. Кирпич делали вверх по течению реки Кия: глину месили лошадьми и ногами. Формовка шла вручную, затем сушили в сараях и обжигали в ямах.

Если в 1867 году было всего 2 кирпичных завода, то в 1892 году в уезде уже работали 13 заводов. В Мариинске делали не только прочный кирпич, но и качественный раствор на извести (известковый пищевой раствор для бутового фундамента).

Стены делали из кирпича размером 288(120(68мм. Толщина наружной стены была не менее четырех кирпичей – 1 метр. Толщина внутренних стен определялась условиями отопления: отопление было печное, здание отапливалось дымовыми газами, которые проходили по каналам внутренних стен. Котельные размещали в подвале зданий.

Междуэтажные перекрытия были деревянными в виде балок. Толщина перекрытий (30 – 40см) определялась шириной пролета (5,5- 6м), чердачные перекрытия – 5,5м. Утеплителем служили сухая земля, торф, глиняно-соломенная мешанка, уложенная по глиняной смазке толщиной 4 см.

Покрытие полов – паркет штучный из древесины твердых пород (береза, дуб, клен, бук). Так как защитных покрытий не было, паркет скоблили и натирали воском.

Оконные рамы и коробки изготавливали из хвойных пород древесины (сосна, лиственница). Стекло завозили из гусевского завода (Гусь-Хрустальный). Остекление было двойное, раздельное, с целью удержания тепла в доме (установка двойных рам более полезное чем увеличение толщины стекла). Ведь слой воздуха с любой стороны окна выполняет роль теплоизолятора, и в обычных условиях перепад температур между внутренней и наружной частями дома приходится главным образом на этот слой воздуха. Окна являются основным источником тепловых потерь в доме.

Если температура внутренней и внешней поверхностей окна равны t2 и t1, то тепловой поток в единицу времени через стеклянное окно площадью S и толщиной L, равен:

(Q kS (t2 – t1 )

(t L k – относительная теплопроводность.

т. е. чем меньше площадь стекла, тем меньше потери. Поэтому окна были небольшими.

Вещество Теплопроводность стекло 0,84 Дж/с м с кирпич 0,84 Дж/с м с древесина 0,08 – 0,16 Дж/с м с воздух 0,023 Дж/с м с вода 0,56 Дж/с м с

Для наибольшего использования тепла в домах стали строились печи. Конструкция печей была почти одинакова. Основным материалом для строительства печей являлся камень. Позже стали появляться глинобитные печи. Глину набивали на каркас, сплетенный из ивовых прутьев. Благодаря удачной газодинамике в топке и отсутствию трубы, КПД таких печей составлял 80-90 %. Многие печи имели отверстие в верхней части для горшка с пищей.

Затем стали появляться трубы. Это вело к значительному увеличению стоимости возведения печи, а также увеличению количества сжигаемых дров, поэтому ставили их не часто – обычно в богатых домах. “Черные” избы существовали в северных районах России еще в XIX веке. Так сложилась традиционная русская печь – “кормилица”. Ее основные преимущества:

▪ Большая теплоемкость.

▪ Возможность выпекать хлеб длительное время (до двух суток).

▪ Освещение жилища в условиях короткого дня.

▪ Простота кладки.

Теплопроводность различных материалов по сравнению с водой:

древесина 0,2 - 0,7 Дж/с м с кирпич 1,05 Дж/с м с земля 1,05 Дж/с м с войлок 0,15 Дж/с м с пух 0,025

Крыша – важнейший элемент конструкции здания, обеспечивающий защиту от воздействий окружающей среды и во многом определяющий внешний облик здания. От надежности и долговечности крыши во многом зависит долговечность здания в целом.

Крыши были деревянные, двускатные (щипцовые), шатровые.

Двускатная крыша – крыша, состоящая из двух скатов. Такие крыши покрывают отдельно стоящие здания и здания, стоящие торцовой стороной к другим строениям.

Шатровая крыша. Все скаты такой крыши, в виде равнобедренных треугольников, сходятся в одной точке. Определяющим элементом в ней является симметричность.

На церквях были купольные и конические конструкции кровли (таким был Никольский собор – красивый, белокаменный храм).

Богатые купеческие дома покрывались черепицей из черной кровельной стали, окрашенной с двух сторон масляной краской. Срок их службы был длительный (более 50 лет), по сравнению с железной кровлей (даже при правильной эксплуатации служила 15 – 20 лет). Особая технология укладки покрытия делала кровлю водонепроницаемой. Объёмное планировочное решение зданий предполагало минимальную высоту помещения – 3,5м. Предполагался целый комплекс мер по обеспечению устойчивости зданий, прочности как в целом, так и отдельных конструктивных элементов. На устойчивость здания влияет глубина заложения фундамента (для Мариинска 2,4 м), конструкции фундамента (ленточные, сваи). На выбор конструкции наружных стен влияет температура как снаружи здания, так и внутри.

Так как не хватало архитекторов в городе, была создана система «типового проектирования». Типовые проекты использовались при строительстве жилых домов, домов с торговой лавкой или мастерской на первом этаже, магазинов, складов.

Вот и подошла к концу моя исследовательская работа. За свою долгую историю строительное искусство прошло огромный путь от примитивного шалаша до сложнейших по своим планировочным и конструктивным решениям сооружений. Я проследила, как и чем строили в XIX веке, но ведь время не стоит на месте, меняются представления о возможностях строительных материалов, меняются и сами материалы.

Практически сегодня можно построить всё, что подскажет воображение архитектора. Вопрос лишь в том, будет ли это целесообразно, красиво, экономично. И вот тут - то и умудрённому знаниями зодчему, и “юноше, обдумывающему житьё”, могут прийти на помощь архитектурные образцы прошлого, занявшие почётное место в ряду признанных шедевров прошлого и являющиеся общечеловеческими памятниками культуры.

На этом я не останавливаюсь, буду продолжать следить за новыми технологиями строительства, за современными стройматериалами, но уже современных домов. А также сравнивать с архитектурой прошлых веков и рассмотрю симметрию в оформление зданий.