Иллюстрация к статье Строительная техника кованых каркасов глав

Строительная техника кованых каркасов глав, Олег Щёлоков
Владимир: рукопись, 1991. - 12 с.: ил.

1991

Строительная техника кованых каркасов глав
на примере храмовых сооружений Владимирской губернии

АННОТАЦИЯ

Данная работа касается недостаточно систематизированных исследований конструкций луковичной и других форм завершений глав кузнечной работы на сохранившихся храмовых постройках Владимирской губернии. Необходимость такой систематизации подтверждается случайностью практических решений, зависящих, в основном, от находчивости исполнителей конкретного ремонта. Выводы основаны на натурном изучении реальных объектов, проектировании и по результатам научного руководства реставрационными работами. Кроме того, автором проведены испытания образцов кованого металла.

ПРЕИМУЩЕСТВА КОВАНЫХ КАРКАСОВ

Металлический каркас любой главы - это сохранившийся результат кузнечного мастерства и ценный образец специфических для своей эпохи строительно-архитектурных приемов. Каждому каркасу присущ индивидуальный почерк изготовителя, несмотря на массовый характер реализации изделий. С конца 18 века замена деревянных луковиц на кованые стала делом повсеместным. Железо подешевело, стало доступным материалом, прекрасно подходящим по строительным качествам. Зодчих привлекала возможность придания главам любой изысканной формы, а заказчиков длительные межремонтные периоды. Каркасы не требовали никакого ухода, легко ремонтировались при протечках. В губернском Владимире, портовом Муроме, богатом Суздале и других городах многие сохранившиеся главы были сделаны из кованого металла – наиболее прогрессивного материала по тому времени.

УСТРОЙСТВО КАРКАСА

Устройство каркаса утилитарно, скрыто от наблюдателя, и полностью, без каких - либо украшательств, подчинено внешней архитектурной задаче.

1. Непременный атрибут любой конструкции центральная мачта. Мачта служит центром симметрии и опорой под крест. Сечение мачты, как - правило, квадратное. Вверху мачты находится гнездо из четырех полос, стянутых хомутами или трубчатый карман для креста. Кресты обычно кованые прорезные, массивные. Устанавливались и деревянные кресты, обтянутые листовым железом. Мачта главы Спасо-Преображенского собора в Суздале дополнительно снабжена в верхней части штатным лотком-воронкой для отвода протечек и конденсата. Опора мачты всегда предусматривалось на твердое основание каменного купола. Купол обычно выступал намного выше карниза барабана главы, что давало уменьшение длины мачты. В деревянных главах мачта выполнялась наоборот, как можно длиннее, и, зачастую, опиралась на перекрестье ригелей. Стальные мачты снабжались распорками. На некоторых храмах (Мстера, Муром) распорки выходят из плоскости кровли. Но в целом зрительного впечатления это не портит, поскольку они малозаметны.

2. Формообразующий криволинейный элемент каркаса - журавцы. Количество журавцов подбиралось под ширину листа железа в самой широкой части луковицы. Число журавцов всегда четное. Если журавцов установить нечетное количество, то глава примет кособокий вид. В современном проектировании высотных сооружений подобная особенность ограничивает треугольные и пятиугольные башни, которые кажутся падающими при взгляде с любой стороны. Длина журавцов довольно большая. Если не имелось полосы достаточной дины, журавцы делались из полос составными. Журавцы крепились к мачте тяжами и хомутами. Тяжи удерживали самую широкую часть луковицы, а во втором ярусе, повыше, подпирали ее горловину. В целях экономии один тяж мог прихватывать к мачте два журавца. Для этого он разрезался до середины в виде латинской буквы игрек (ласточкин хвост). Если у мастера имелось достаточно материала, тяжи выполнялись и индивидуально для каждого журавца.

3. Мауэрлат как таковой, или полоса лежня, встречаются не везде. Это связано с трудностями изготовления этого криволинейного элемента.

4. Кровельное покрытие железом - это тоже элемент несущего каркаса. Помимо распорок мачты жесткость конструкции обеспечивала качественная, из толстого листового железа, обшивка. Обшивка, зачастую прошитая заклепками, эффективно противостояла ветровому напору и крутильной форме потери устойчивости. Последняя имеет место при перекосах журавцов, обрыве одного тяжа креста. Толщина обшивки составляла 1,5-2,5 мм.

На примере храмов во Владимирском регионе мы видим территориально совокупный набор однотипных строительных приемов и решений. Вышесказанное подтверждает вывод о существовании системы построения кованых каркасов.

КРЕПЛЕНИЯ И КРЕПЁЖ

Сборка главы осуществлялась на месте, наверху, поскольку естественно полагать, никакого кранового грузоподъёмного оборудования у древних строителей кроме блока и верёвки не было. Все элементы поднимались вручную и имели небольшой вес. Крепления элементов между собой можно с полным основанием назвать монтажными. Основной перечень креплений:

1. Шплинты, разводные шпильки с головкой или с серьгой вместо головки.
Очень простые и практичные, изготавливались из троетёсных (старое обозначение длины 180-300 мм) гвоздей обрезанием острого конца. Оставшаяся часть гвоздя располовинивалась вдоль. Серьги - шплинты выковывались колечком, а концы при монтаже разводились. Тяжелые шплинты ковались отдельно из полосы.

2. Клинья, вставляемые в проушины.
Клинья самых различных размеров можно было изготовлять из подручных материалов и обрезков. Клинья вгонялись до упора и получения неразъемного соединения. Интересная особенность клиньев на главе Спасской теплой церкви во Владимире в том, что каждый клин против выпадения дополнительно страховался маленькой шпилечкой. Другой пример неожиданного и эффективного использования клиньев мы находим в Ставрово на церкви Успения. Луковица была украшена шестиконечными золочеными звездами. Каждая звезда имела приклёпанную петлю, которая вставлялась в вертикальную прорезь, прорубленную зубилом в кровле в нужном месте, в соответствие архитектурно-декоративной задаче. Затем изнутри луковицы в эти петли вставляли клинья. Очевидное преимущество в чрезвычайной простоте монтажа и крепления украшений главы. К сожалению, при реставрации 1989 г. звезды заново не изготовили и не поставили.

3. Заклепки.
Более характерны для заготовок в мастерских. На заклепках так - же собирались из небольших листов картины кровли.

4. Болты.
Кузнечная резьба болтов на оправке - характерный признак середины 19в. - начала 20в. Качество резьб и квалификация кузнеца проверялись следующим образом: при ударе пальцем по квадратной гайке она должна была пробежать по резьбе не менее 1/3 вершка, т. е. 5..6 см. Центральная глава Собора Боголюбивой Божией Матери в пос. Боголюбово - один из впечатляющих примеров каркаса, полностью собранного на болтах. В других случаях, на менее ответственных сооружениях, болты, ввиду сложности ручного изготовления, встречаются нечасто.

5. Хомуты.
Хомут - обязательный элемент, собирающий в пучок сходящиеся к подкрестному шару журавцы.

6. Цепные соединения.
Накидным крючком крепились внутренние тяжи к журавцам, наружные растяжки крестов к главе. Очень простое и надёжное соединение. Надежность в том, что отцепить крючок после снятия лесов уже некому и незачем, а ветер крючки не поднимает. Крепление наружных растяжек крестов очень часто осуществлялось крючками. Крючки позволяют работать и монтировать на финише мелкие растяжки на высоте одной рукой без лесов, на весу. Нижняя часть растяжки крепилась к луковице главы или на крючок или на серьгу. Кованые крючки приклепывались снаружи к кровле по месту двумя или тремя заклепками. Разумеется, кровли должны быть из толстого железа. Второй вариант, более тонкая кровля, но точное попадание растяжки на силовой несущий журавец при частом шаге внутренних журавцов. В журавце заранее делается отверстие, при монтаже в него продевается в нужном месте кровли шплинт или болт с серьгой, соответственно шплинт разводится изнутри главы ударами молотка, болт затягивается изнутри главы гайкой. Никаких резинок и уплотнителей не предусматривалось, вместо них применялась густотёртая краска на натуральной олифе. В качестве натяжных устройств широко использовались талрепы, хотя ручное изготовление этого устройства далеко не простая задача.

ЖЕСТКОСТЬ КОНСТРУКЦИИ

Жесткость конструкции обеспечивали три составляющих: мачта с раскосами, максимальное приближение, где только можно, жесткой опоры в виде кирпичной кладки с закладными деталями к внешнему контуру, массивная обшивка толстым кровельным железом.

В колокольне Успенского собора во Владимире мачту составляет большое количество полос железа в виде шпиля, который мы видим. На первый взгляд число полос, из которых состоит шпиль, представляется непомерно большим, однако даже при эскизном расчете видно, что их массив обеспечивает в основном не прочность шпиля, которая избыточна, а небольшой прогиб от ветровой нагрузки и защиту от раскачивания. Вверху полосы собраны хомутами. С современной точки зрения жесткое соединение концов полос с хомутами могло бы обеспечить значительно большую жесткость при меньшем количестве материала, однако здесь возможны негативные последствия от мощных температурных напряжений.

В качестве примера своеобразного применения жесткой опоры, можно отнести колокольню Николо - Кремлевской церкви во Владимире (современное использование планетарий). Строители для жесткой опоры избрали деревянный столб. Центральный деревянный столб шпиля, вмурованный в кладку, сгнил очень быстро, и, в конечном итоге, жесткости не добавил, оставив после себя только следы. Поэтому реставрация этого решения представлялась явно необоснованной, а столб вполне можно считать монтажным. Шпиль здесь длительное время обходился без деревянной опоры и, скорее всего, обойдется и в дальнейшем, с работой кованого каркаса в чистом виде.

Тщательная обработка кровельного покрытия глав обычно требовалась под золочение. Однако на ряде храмов даже без позолоты все швы промазаны свинцовыми густотертыми белилами. Промазка осуществлялась не поверху, после соединения листов, а до того. Густые белила закладывались прямо в фальцы и швы взакрой между картинами перед загибом молотком. Такое качественное соединение придавало покрытию полную монолитность и явно способствовало общей жесткости главы. Отличный результат по долговечности виден спустя десятилетия при двусторонней окраске (огрунтовке) картин суриком до укладки в дело. Коррозия металла изнутри от конденсата значительно уменьшается. Этот прием обязателен при реставрации, так как в обычной практике ремонта черная кровля редко грунтуется, даже после укладки. Обеспечение жесткости за счет раскосов и жесткой кровли нельзя недооценивать при реставрации. Впрочем, в современных условиях в случае полного новодела, жесткость чаще всего обеспечивается сварными монтажными соединениями и тщательное соблюдение трех условий жесткости, используемых древними зодчими, теряет актуальность.

СТРОИТЕЛЬНЫЙ БРАК ДРЕВНИХ ЗОДЧИХ

В конструкциях старинных глав повсеместно встречаются случайные детали неизвестного происхождения «подсунутые» в самых неожиданных местах. Журавцы иногда вообще ничем не прикрепляются к мачте, болтов на обвязках не хватает, шплинты с трещинами, вместо серьёзного крепежа какая-то проволока, да ещё спутана или приляпана кое-как, как будто заштопано, и тому подобное. Объяснение таких технических решений далеко искать не следует, тем более копировать, «восстанавливать», тем паче «реставрировать» всё это смысла нет. Когда в свое время велись работы, либо не хватило материала, либо налицо обыкновенное отсутствие исполнительской дисциплины, халтура. Мусор и отходы шли в дело повсеместно. Кровельщики зачастую подставляли и оставляли деревянные подкладки в работу, их временные подпорки разного рода встречаются повсеместно. Единственным безусловным оправданием старинного брака и кривизны в любом случае служит солидный возраст конструкции, дошедшей до нас именно в таком виде. Старые кованые конструкции не к месту изобилуют материалом с большим запасом прочности по принципу «Кашу маслом не испортишь», а так - же лишними подпорками. Считать это недочетом нельзя, а при реставрации можно спокойно игнорировать, в конце концов, опираясь на современные инженерно-математические расчеты.

СВЕЖИЕ ПРОБЛЕМЫ

Проблема номер один - несовместимость излишне прогрессивных современных строительных материалов и металлопроката с древними системами. Использование в новоделах высокоуглеродистых арматурных сталей (Ат-5), профильных труб, катаных уголков, швеллеров и двутавров рядом со старинными полосами и квадратами более чем неуместно и не соответствует «старинному духу» памятника. Разумется "дух духом", но не стыкуются важнейшие параметры: прочность на растяжение, модуль упругости, размеры сечения, коррозионная стойкость, и как мы покажем в дальнейшем, неизотропный характер старинных материалов и их поведение под нагрузкой и на локальных концентраторах напряжений.

Технологический брак в реставрации тоже заметная проблема. Большую опасность представляет вмешательство с недостаточным финансированием, затем естественная остановка от безденежья всех работ на неопределенный срок на фоне невнимания к особенностям объектов. «Невнимание», чаще всего, означает халатность и пренебрежение к самому объекту реставрации.

В частности в Муроме в Спасском монастыре были выставлены ненадежные леса, которые, недолго думая, были закреплены за реставрируемый каркас главы собора. При этом глава была раздета от обшивки, тяжелый крест не был снят, начатые работы приостановлены на неопределенный срок. Как следствие, всё это вместе рухнуло от ветра, оставленное без присмотра.

Во Владимире, на центральной главе Николо - Кремлевской церкви (планетарий), леса так - же, без какого - либо умысла, крепились к каркасу главы. В результате чего каркас получил незаметное искривление. В ходе работ уже искривлённый каркас дополнительно укрепляли тяжами на электросварке. После разборки лесов выявилось, глава и крест имеют сильный наклон, а срезка/подгонка вновь тяжей технически неосуществима, либо сильно затратна. Пришлось гнуть главу нагревом горелкой отдельных деталей. К счастью памятник архитектуры обошёлся без пожара и полной гибели.

МАТЕРИАЛЫ ДРЕВНИХ КАРКАСОВ

Повсеместно на ковку шло химически чистое железо. Ниже приводятся результаты химического анализа. Образцы взяты с каркаса глав Спасо-Преображенского собора в г. Муроме:

Состав примесей в долях процента по массе
Углерод  Кальций  Магний  Хром  Никель
0,001    Следы    Следы    0,05    0,15

По современной классификации образцы соответствуют стали марки Ст0. Механическая прочность такого материала низкая. При электросварке обычные электроды со старым кованым железом несовместимы. Под дугой металл кипит, шов некачественный. На противоаварийных работах следует варить на пониженном токе тонкими электродами Э42А. Лучший результат дает газовая сварка с присадочным прутком из мягкой проволоки того же класса Ст0 с соблюдением всех правил пожарной безопасности.

Что ещё дали лабораторные исследования?

При изучении микрошлифа кованого железа тех же образцов из Мурома под увеличением хорошо заметны прослои железа с окалиной и шлаком. Реальные образцы доказывают необходимость рассмотрения старинного кованого элемента как композита с устойчивым дефектом типа расслоение. Высокая прочность композита вдоль волокон сопровождается низким сопротивлением поперечному сдвигу и поперечному отрыву. Вследствие этого кованые изделия весьма чувствительны к любым технологическим и эксплуатационным надрезам и кручению. Конструктивные концентраторы напряжений, в виде отверстий под крепеж, служат источником активного снижения несущей способности. Прежде всего, при расчете следует обращать внимание на потерю несущей способности не элемента, а его соединения. Рост дефектов материала наблюдается при температурных напряжениях. Такие напряжения особенно характерны для сварки, что еще раз подтверждает несовместимость её со старинной ковкой.

Развитие трещин в композитах на порядок опережает рост усталостных и температурных трещин в обычных изотропных материалах. Трещины на кованых обвязках каркасов распространенное явление. Появление трещин объясняется охрупчением материала за счет локального науглероживания в ходе обработки изделия, дефектов прокатки, местного расслоения, старения и вредных примесей, как химических, так и шлаковых. Сопротивление растяжению в ходе испытания образцов не превысило величины 1600 кг/см2. Ориентировочное соотношение сопротивления на сдвиг к сопротивлению на растяжение 0,58. Кованый профиль очень пластичен. На диаграмме напряжений - деформаций площадка текучести, характерная для рядовой стали Ст3пс, у старого железа почти не заметна и напоминает аналогичную диаграмму для цветных металлов. Этим, в частности, объясняется меньшая релаксация напряжений и большая надежность старых болтовых соединений.

Коррозионная стойкость металла кованых конструкций, в частности в водно-кислотной (городской дождь) среде, выше современных сталей. Основной защитой древнего металла служит тонкая черная пленка патины, или магнетита. Несмотря на её наличие, серьезным испытанием для старых каркасов служит повсеместный, на сегодня, переход на покрытие кровельной медью или листами нержавеющей стали. Эти материалы образуют гальваническую пару с железным каркасом и превращают его в быстроразрушающегося и окисляющегося донора для себя. Поэтому правомерен самый серьезный подход к подготовке поверхностей и защите кованых каркасов от контактной коррозии. Разумеется, желательно сохранение старой защитной пленки, которую ни в коем случае нельзя механически зачищать. Затем обязательно удаление очагов активной ржавчины обработкой ортофосфорной кислотой.

Мало исследованы и проверены практикой как пассивные методы защиты каркасов так и активные. К пассивным можно отнести механическую обмотку журавцов стеклотканью или покрытие полимерами вроде расплава полиэтилена до покрытия кровлей. К активным относятся все варианты электрохимических протекторов (цинк, магний) и даже подведение небольшого постоянного электрического напряжения.

Пробная обработка металлических деталей в расплаве полиэтилена производилась во Мстёре на Богоявленском соборе в 1986 году. В качестве образцов были взяты полосы железа, которые затем были использованы в качестве геодезических марок как закладные детали в кладку. Если слегка подогреть деталь и опустить ее в ванночку с расплавленным полиэтиленом, после остывания получается бесцветное, практически невидимое защитное покрытие. За 30 лет (2017) признаков коррозии не обнаружилось, внешний вид металла не изменился.

И напротив, яркий пример слабого, в плане защиты о коррозии, решения мы можем наблюдать в Суздале в кованом каркасе главы Воскресенской церкви на центральной площади торговых рядов. Глава церкви покрыта медью. Несколько арматурных стержней, вставленных для усиления в старый каркас, приобрели за 2 года (по состоянию на 1991г.) интенсивно рыжую окраску по всей поверхности за счет активной безостановочной ржавчины. Дальнейшая судьба таких решений известна, ржавчина перемещается подтеками на фасады, само железо быстро сгнивает.

Резюмируя вышесказанное, следует отметить: в любом случае фосфатирование и окраска кованых элементов свинцовым суриком перед покрытием любой кровлей обязательны, а магнетит счищать нельзя.

МЕЛЕНКОВСКОЕ ЖЕЛЕЗО

Помимо привозного материала во Владимирской губернии в своё время было и своё собственное железо, соответственно руда для его изготовления. Болотная руда с высоким содержанием чистого железа добывалась в Меленковском уезде неподалеку от селения Верхняя Унжа. Местные кузнецы научились упрочнять железо томлением расплава в глиняном горшке, помещенном в кузнечную печь. Запасы болотных железных глыб быстро истощились, в настоящее время завод по производству печного литья работает, естественно, на привозном сырье. Интерес для реставрации представляет использование местного сырья на ковку конструкций. В данном вопросе имеется объемный неисследованный материал. К великому сожалению, основные разведочные сведения по меленковской руде, собранные главным археологом Владимирской области Виктором Глазовым, оказались незадокументированными и потеряны после его безвременной кончины в 2008 году. Для воссоздания полностью идентичных материлов и технологий любые сведения о Меленковской руде и её применению представляют большую ценность.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ВЫВОДЫ

1. Конструкции глав храмовых сооружений Владимирской губернии имеют много общего. Существует общепринятая система их устройства, которую надо учитывать при любых ремонтных работах.

2. В каркасах применялось чистое железо низкой прочности, с малым содержанием углерода, неоднородное по сечению, с наличием включений и дефектов структуры.

3. При сварке старое железо и современная сталь несовместимы.

4. Кованая сталь это композитный материал, склонный к расслоению, усталостному разрушению, разрушению в хрупкой форме от удара и температурных напряжений.

5. Свойства старого металла позволяют погнутую мачту, или другой элемент, при необходимости, выправить гибом под нагревом ацетиленовой горелки. Материал ремонтопригоден в монтажных условиях.

6. Кровля служит обеспечением жесткости, и ее следует выполнять из возможно более толстого листового железа с тщательным исполнением соединений листов. Используя для новодела кровли тонкую и мягкую медь, вместо старой толстой железной обшивки следует предусмотреть другие заменители жесткости конструкции.

7. Старое железо защищено от коррозии тонкой черной пленкой магнетита, бездумно чистить его стальными щетками перед покраской нельзя. Оптимально химическое преобразование ржавчины, мытьё ортофосфорной кислотой с последующей пассивацией.

8. При окраске каркаса следует выбирать краску с учетом высокой температуры нагрева кровли летом. Почерневшая медь может на солнце нагреть всю конструкцию еще больше.

9. Каркас со снятой кровлей имеет небольшую несущую способность, и его следует отделять от лесов, снимать крест, оберегать от механических примыканий и усилий.

10. В главах обязательны смотровые люки снизу для доступа вовнутрь главы, сверху для доступа к кресту. Следует предусматривать это в конструкции.

11. Некоторые несообразности, отсутствие деталей, низкое качество сборки отдельных элементов, кривизна и огрехи, мусор, скрытые дефекты - это обычное явление в древних каркасах. Отличительная особенность старых конструкций при все при этом состоит в том, что несмотря на все недочеты, они простояли сотни лет и прекрасно сохранились. Но копировать это не надо.

12. Каркас должен иметь некоторую подвижность, любые жесткие соединения должны применяться с учетом температурного расширения деталей.

ОТ АВТОРА

Старинные кованые каркасы глав спустя столетия демонстрируют свою феноменальную надёжность, невероятную живучесть и долговечность в самых суровых условиях эксплуатации. Их не берёт ржавчина, не сваливают пули из красноармейских винтовок и наганов, они не горят, их не рушит стихия, ветра и морозы, их бьют молнии, но они стоят. Иногда кажется, что они могут выдержать всё. К сожалению, есть одно ключевое обстоятельство, ведущее к их безусловной 100% гибели, которое они побороть не в состоянии. Обстоятельство, которое сильнее любых стихий и непогод.

Равнодушие.

Вот оно способно быстро уничтожить всё. При ремонте старую ковку попросту выбрасывают на свалку, сдают в лом, растаскивают и разворовывают на хознужды, она падает на землю, уходит молча и навсегда. Вместо старых глав с изумительно выверенным контуром и потрясающим изяществом мы получаем взамен стандартные типовые нитрид-титановые ёлочные игрушки, одинаковые по внешнему виду и устройству, несуразные в пропорциях, геометрически убогие шаро-чешуйчатые примитивы совершенно чуждой первоначальному замыслу архитектуры. Это неуважение не только к зодчим прошлых времён. В архитектуру храма была вложена любовь и душа храмоустроителей. Но не знали они, как порой предательски могут распорядиться потомки их радостью и созидательным счастьем, когда выбрасывают намоленные столетиями кресты и главы, ставят пустотелый ширпотреб.

Щёлоков О.О., инженер
г. Владимир, 1991
Статья уточнена и адаптирована к публикации на сайте a33.ru в 2017 году.