В русское зодчество арочные конструкции пришли, видимо, одновременно с проникновением на Русь христианства и строительством первых каменных храмов в X веке. Подавляющее большинство сохранившихся или разрушенных, но поддающихся логической реконструкции памятников начального периода, начиная с киевской Десятинной церкви, представляют церковные здания так называемой крестово-купольной системы, заимствованной в Византии.

Конструктивную основу крестово-купольных сооружений составляет трех- или пятипролетная арочно-стоечная система, делящая внутренний объем на центральный и боковые нефы. На четырех центральных столбах (при шестистоечной системе на четыре восточных столба) опираются с одной стороны главные подпружные арки, несущие центральный световой барабан, с другой - боковые подпружные арки, служащие основанием для коробовых или крестовых сводов рукавов креста, а в пятиглавых храмах и для угловых барабанов.

Подпружные арки делят в плане пространственную систему перекрытия на отдельные модули, которые в зависимости от размера и нагрузки создают большие или меньшие распоры, направленные навстречу друг другу. Складываясь или вычитаясь, они создают суммарный неуравновешенный распор системы, действующий в плоскости подпружных арок продольного и поперечного направления или в диагональных плоскостях и воспринимаемый, главным образом, массой вертикальных несущих конструкций - столбов, пилонов, наружных стен, работающих независимо или конструктивно объединенных в плоские и объемные диафрагмы жесткости (рис. 1.1).

В монолитных, нерасчлененных трещинами толстостенных конструкциях существенное значение имеет и горизонтальная жесткость внешнего опорного контура, препятствующего действию распора совместно с вертикальными элементами жесткости (рис. 1.2).

В общем случае опрокидывающее действие распора Н_с плоской многопролетной системы, приложенного к своему элементу жесткости на высоте h_с , должно быть меньше суммарной удерживающей реакции собственного веса и нагрузки данного элемента, приложенных с соответствующим плечом относительно точки опрокидывания. В противном случае при избытке распора равновесие системы должно поддерживаться работой затяжек, установленных в уровне пят подпружных арок, или внешних дополнительных жесткостных элементов - апсид, пристроек, контрфорсов и т. п.

Следует заметить, что при нормальной спокойной статике роль воздушных связей (затяжек) в обеспечении равновесия существующих крестово-купольных сооружений не является определяющей, хотя с развитием системы и увеличением перекрываемых пролетов она возрастает. Начальная пространственная жесткость арочно-стоечных систем зависит, в первую очередь, от соблюдения рационального соотношения вертикальных и горизонтальных нагрузок, воспринимаемых жесткостными элементами здания, т. е. от их устойчивости действию распора, и в гораздо меньшей степени от наличия воздушных связей, включающихся в активную работу лишь на стадиях деформаций. Распространенное мнение о постоянно активной функции воздушных связей является, видимо, следствием расчетов древних распорных конструкций и, в частности, подпружных арок многопролетных систем на полную нагрузку строительного периода без учета собственной жесткости опорного контура и эффекта сцепления раствора. Работа подпружных арок и связей подробно разбирается в параграфах 2.7 и 2.8.

Предпосылками длительного безаварийного существования арочных распорных систем из кладочного материала можно считать умеренные напряжения во всех элементах, отсутствие растягивающих усилий и малую чувствительность конструкций к влиянию внешней среды. Последнее обстоятельство предопределяется либо самим характером конструкции, либо природными условиями территории памятника. Практика возведения и эксплуатации на Руси заимствованных в Византии образцов крестово-купольной системы выработала свои строительные методы, учитывающие сложные инженерно-геологические и климатические условия Русской равнины, специфику строительных материалов, а также (в начальный период) и недостаточный строительный опыт.

Для большинства сохранившихся ранних русских памятников общими конструктивными признаками являются:

1. незначительные пролеты центральных и боковых подпружных арок;
2. малый суммарный «неуравновешенный» распор системы;
3. наличие диафрагм или модулей жесткости;
4. отсутствие заметных усилий в воздушных связях;
5. малый интервал напряжений в кладке несущих конструкций и в основании фундаментов.

Выработанные оптимальные параметры крестово-купольных сооружений начального и последующего периодов не являлись гарантией надежности при их механическом перенесении в иной масштаб, материал или грунтовые условия. Известны многочисленные аварии - обрушения сводов, барабанов, падения столбов и др., произошедшие на объектах, являющихся конструктивно и даже внешне близким подобием своих длительно и безаварийно существующих прототипов. Напротив, дифференцированный подход к решению конкретных строительных задач допускал не только благополучные местные интерпретации апробированных схем, но и принципиальные от них отступления, положившие в ряде случаев начало новым методам и направлениям.