Балки для монтажа колоколов

Сегодня наиболее распространенным решением для подвески колоколов является использование металлических балок. Исторически такой способ просуществовал в дореволюционной России не более ста лет и успешно применяется и в наше время. Вот что писал об этом русский купец, известный исследователь колоколов, последний владелец знаменитого колокольного завода «Оловянишников и сыновья» Николай Иванович Оловянишников.

«Подвеска колоколов на колокольне в прежние времена, когда не было железных двутавровых балок, производилась на деревянных, впоследствии стали подкладывать под деревянные балки железнодорожные рельсы. В настоящее время, почти повсюду вешают колокола на железные двутавровые балки, и чтобы железо хомутов, которыми подвешивают колокола не соприкасалось с железом балки и не вредило бы звуку колокола, устраивают деревянные прокладки из лафетных досок, одевая этими досками балку со всех сторон. Одновременно этим, если не вполне, то значительно уничтожается и та передача вибрации железной балке, благодаря которой возможна деформация самого железа балки из волнистой в зернистую структуру, могущая повести за собой разрушение балки. Подробное обсуждение этого вопроса можно найти в статье г-на Подчиненнова в Бюллетенях Политехнического общества за 1909 год №2 «Устройство и установка железной конструкции для привеса колоколов на древней колокольне московского Даниловского монастыря». Статья эта с подробными обсуждениями металлической конструкции для подвески колокола лишь указывает, как мало специальных знаний было уделено до сего времени для подвески таких огромных грузов на колокольнях.» [Оловянишников Н.И. История колоколов и колокололитейное искусство, стр.40019]

Таким образом, монтаж стальных балок и последующая обшивка их деревом для колоколов применялись лишь с середины 19 века до конца второго десятилетия 20 века. Одними из первых были сделаны балки при строительстве Исаакиевского Собора. Металлические конструкции были использованы при создании главного купола Собора, а также внутри каждой из четырех колоколен были смонтированы конструкции для подвески колоколов.

Наилучшим решением при подвеске колоколов на сегодняшний день является стальная балка прямоугольного или квадратного сечения, труба либо два швеллера, сваренные в короб (фото 1). Такая балка обеспечивает хорошие параметры жесткости, а в отличие от двутавра, прекрасно выдерживает нагрузки на скручивание.

Единственный минус короба по сравнению с двутавром — это отсутствие доступа к внутренним поверхностям балки и как следствие невозможность обслуживания. Конденсат, возникающий внутри балки,  может вызывать ржавение, поэтому необходимо предварительно, перед сваркой прокрашивать внутренние части швеллера, а затем прокрашивать уже балку изнутри, например, с помощью валика с длинной ручкой.

Фото 1. Стальная балка, сваренная из двух швеллеров.

Также есть вариант изготовления балки из двух швеллеров сваренных не плотно, а через соединительные пластины, как показано ниже (фото 2).

Фото 2. Балка из двух швеллеров, сваренных через соединительные пластины

За счет большей ширины такая балка является более устойчивой.

Если принято решение об обшивке балки деревом (фото 1), то предпочтительно использовать древесину твердых пород: дуб или лиственницу.

Фото 1. Пример обшивки балки деревянным коробом по всей длине и в месте крепления колокола.

Для лучшей амортизации под верхнюю доску можно подложить лист технической резины.

Однако дерево как материал для обшивки балки показывает не очень высокие результаты с точки зрения эстетики и снижения вибрации от колоколов. Во-первых, его декоративные свойства из-за атмосферных воздействий очень быстро утрачиваются. Восстанавливать внешний вид дерева - достаточно длительный процесс. В виду значительных затрат на данную работу, она как правило впоследствии не выполняется. Под доской может скапливаться влага, а контроль состояния самой металлической балки становится затруднительным. Что касается обшивки не по всей длине металлической балки, а лишь в месте крепления колокола (фото 2), то этот вариант пригоден только на балках внутри колокольни - в проемах участок, обшитый доской толщиной 50мм, будет слишком сильно выделяться.  

Фото 2. Обшивка балки коробом в месте крепления колокола.

Еще один недостаток варианта деревянной обшивки – дефицит материала. Если необходимо обшить широкие балки, то цельной доски из дуба или лиственницы не найти, придется использовать клееный материал либо другую породу дерева – ель или сосну, что значительно ухудшает качество обшивки. 

В качестве альтернативы обшивке деревом можно использовать комбинированную обшивку из пластин капролона и технической резины (фото 3). Так, например, в Ризоположенском монастыре г.Суздаля, для закрепления на балке колокола 3500кг использовался лист технической резины (ТЕХПЛАСТИНА ТМКЩ) толщиной 20мм, который приклеивался к капролоновой пластине толщиной 20мм.

Фото 3. Обшивка балки капролоном и технической резиной.

Для обшивки могут использоваться капролоновые пластины белого или молочного цвета. Такая обшивка совершенно незаметна с низу на фоне белой металлической балки и может быть использована в месте крепления колокола (т.е. не по всей длине балки) без нарушения эстетического вида.

Чтобы капролон лучше демпфировал нагрузку, можно не использовать вариант обшивки коробом, чтобы не создавать лишнюю жесткость верхней пластине. В качестве боковых ограничителей в таком случае лучше использовать втулки из капролона, надеваемые на крепеж (рис 1).

Рис. 1. Пример использования капролоновых втулок в качестве боковых ограничителей.

Конструкционные детали из капролона хорошо поглощают вибрацию, демпфируют динамические нагрузки. За счет высокой механической прочности, жесткости, капролон распределяет точечную нагрузку, резина в свою очередь также хорошо гасит вибрацию и препятствует скольжению обшивки по балке.

Гашение вибрации также происходит за счет разности плотности материалов - капролона, резины и металла самой балки. Слои с разными плотностями нарушают амплитуду колебаний.

Кроме демпфирующих свойств, капролон износоустойчив, имеет сравнительно небольшой вес, ударопрочен, устойчив к коррозии, экологичен (не токсичен), имеет высокую стойкость по отношению к минеральным кислотам и щелочам.

Для гашения вибрации, резину можно также использовать в местах замуровывания балки. Однако необходимо обеспечить герметичность заделки балок, чтобы не происходило дальнейшего усыхания резины и, как следствие, появление люфта.

Боковые нагрузки (на скручивание балки) также необходимо минимизировать грамотной настройкой системы управления большими колоколами, например, настраивая направление движения языка по направлению самой балки.

При расчете несущей способности балок необходимо учитывать динамические нагрузки. Из-за длительного срока эксплуатации, а также риска создания неграмотной настройки системы управления колоколами в будущем (к примеру, через 20-30 лет), инженеры Международного центра колокольного искусства рекомендуют делать 3-х кратный запас прочности на все несущие конструкции под колокола.

В г.Южно-Сахалинске строительство кафедрального Собора выполнялось из монолитного железобетона. Так как бетон хуже держит динамические нагрузки, нами было принято решение о создании комбинированной системы из железобетонных и стальных балок.

Сахалин является сейсмоопасной зоной с индексом 1,6. Поэтому проектирование конструкций под колокола выполнялось также с учетом сейсмической опасности региона.

Особенностью комбинированной системы стали узлы шарнирного опирания (с одной степенью свободы, допускающей горизонтальное перемещение). Кроме этого крепежи самих колоколов крепятся к балке также свободно, чтобы не было жесткого соединения колокола с балкой и колокол при ударе имел небольшой свободный ход. Крепеж фиксируется лишь сверху, чтобы колокол не мог сместиться со своего штатного места.