Рома Агравал - Built. Неизвестные истории известных зданий [litres]

Римляне пошли еще дальше и добавили куполу стабильности с помощью семи ступенчатых колец (которые видно снаружи, чуть ниже окулуса, с высоты птичьего полета). Эти кольца выполняют ту же функцию, что и резинки в нашем эксперименте, и противодействуют силам растяжения, таким образом уравновешивая купол. Такое оригинальное решение обеспечило успех всего проекта, и, несмотря на то что бетон плохо выдерживает растяжение, римлянам удалось его приструнить.

Более толстый слой бетона, возможно, и решает проблему сопротивления силе растяжения, зато он создает новые проблемы. Чем толще купол, тем больше в нем цемента, тем больше тепла он создает и тем больше он сжимается при охлаждении. Когда он сжимается, то начинает разрушаться, и, так как бетон не может противостоять этому растяжению, он дает трещины. Римляне беспокоились, что основание купола Пантеона будет все больше и больше трескаться. Считается, что ряды квадратных выемок внутри купола, создающие его неповторимую визуальную эстетику, сделаны для того, чтобы бетон быстрее и равномернее остывал, и за счет этого меньше трескался. Несмотря на это решение, при изучении Пантеона инженеры все-таки обнаружили трещины в основании купола (они появились еще в древности, когда здание только строилось), но они не нарушили целостность античной постройки.

Впервые я побывала в Пантеоне, когда еще была подростком, и я сразу влюбилась в это здание за его красоту и ощущение умиротворенности. Во второй раз я посетила его уже дипломированным инженером и смотрела – с не меньшим восхищением – на выемки в куполе, пытаясь найти трещины в основании. Я долго разглядывала луч света, проходящий через окулус на вершине этого необыкновенного сооружения. Меня по-прежнему поражали масштабы купола и видимая простота форм, но теперь я понимала, насколько, должно быть, сложно было построить его так много лет назад.

Я часто задумываюсь о том, будут ли, подобно Пантеону, те здания, которые мы проектируем и строим сейчас, по-прежнему существовать и сохранятся ли так же хорошо две тысячи лет спустя. Это кажется непостижимым.

После падения Римской империи в V веке началась темная эпоха Средневековья – или, как я ее называю, эпоха трещин и крошек, – и римский рецепт бетона оказался утерян почти на тысячу лет. Мы вернулись к более примитивному образу жизни, и бетон снова появился только в XIV веке. Даже тогда инженеры продолжали бороться с основным недостатком бетона – трещинами при воздействии силы растяжения. Лишь несколько столетий спустя откроют настоящую магию бетона, и обнаружит ее самый неожиданный герой в самом неожиданном месте.

В 1860-е годы французский садовод Жозеф Монье устал от того, что глиняные горшки постоянно трескаются. Тогда он попробовал сделать горшки из бетона, но понял, что они точно так же трескаются. Совершенно случайно он решил усилить бетон, поместив в него металлическую сетку. Этот эксперимент мог оказаться неудачным по двум основным причинам: во-первых, бетон мог не сцепиться с металлом (не было причин предполагать, что он это сделает) и металл только ослабил бы горшок. Во-вторых, из-за сезонных изменений металл и бетон расширяются и сжимаются в разной степени, что должно создавать еще больше трещин. Но Монье случайно создал революционный горшок, который сохранял прочность и почти не трескался.

Как и большинство металлов, железо и сталь (как мы уже увидели) гибки и пластичны и хорошо выдерживают силу растяжения: при растяжении они не трескаются. Металлы не такие ломкие, как кирпич или бетон. Таким образом, соединив бетон (который при растяжении трескается) с железом (которое выдерживает растяжение), Монье создал идеальное сочетание материалов. На самом деле, древний вариант того же принципа можно обнаружить в Марокко, где стены некоторых берберских городов строили из глины с добавлением соломы: эта смесь называется саман, и ее также использовали, в числе прочих, древние египтяне, вавилоняне и коренные американцы. Солома выполняет ту же функцию, что и металл в бетоне: она связывает глину со штукатуркой и предотвращает чрезмерное образование трещин, так как солома сопротивляется силе растяжения. В штукатурке на стенах моей викторианской квартиры содержится конский волос, служащий той же цели.

Монье представил свой новый материал на Парижской выставке в 1867 году, а затем стал применять его в создании труб и балок. Инженер-строитель Густав Адольф Вайс из Германии увидел этот материал и стал думать о том, как строить из него целые здания. В 1879 году он купил у Монье патент и начал проводить эксперименты с использованием бетона в качестве строительного материала, а затем стал пионером в строительстве бетонных зданий и мостов по всей Европе.

Идеальный союз строительных материалов: стальная решетка усиливает бетон, противостоит растяжению и предотвращает трещины

Удачный союз стали (которая заменила железо после распространения бессемеровского процесса) и бетона кажется сейчас настолько очевидным, что уже трудно себе представить, как они не встретились раньше. В каждой бетонной постройке, которую я проектирую, я использую стальную арматуру – длинные фактурные прутья диаметром от 8 до 40 мм, которым придают нужную форму и которые соединяют вместе, чтобы получилась решетка или сетка, составляющая основу бетонного блока. Мои расчеты показывают, где на бетон будет действовать сила растяжения, а где сила сжатия, и в соответствии с этим я распределяю стальные прутья.

Подрядчики берут мои чертежи, устанавливают размеры и форму каждого стального прута в проекте и рассчитывают его вес. Эти расчеты отправляются на завод, и через несколько недель оттуда привозят стальные прутья, которым придают нужную форму перед тем, как залить их бетоном.

Когда в бетонной смеси происходит химическая реакция, сталь и бетон образуют прочные связи. Цементная паста так же прочно прилипает к стали, как к заполнителям. Как только они схватились, их уже трудно разъединить. У них почти одинаковые термические коэффициенты, а это означает, что они расширяются и сжимаются примерно на одну и ту же величину при одинаковых изменениях температуры. Когда бетонная балка сгибается под воздействием гравитации, сверху на нее действует сила сжатия, а внизу – сила растяжения, то снизу бетон трескается. Эти трещины – шириной в 1 мм, и часто их даже не видно, но они есть. Как только это происходит, стальные прутья в нижней части балки приходят в движение и начинают сопротивляться силе растяжения, сохраняя целостность балки.