перекрытия пассажей Верхних торговых рядов

Перекрытия пассажей Верхних торговых рядов
г. Москва, 1890-93 гг.
Разработчик и производитель: О.Е. Крель
Санкт-Петербургский металлический завод

МАРШ — Технологии. ВА2 2019-2020.
Даниил Орехов, Родион Истокский, Илья Филиппов, Анна Титова, Полина Соловьева
Конструкции перекрытий пассажей Верхних торговых рядов уникальны тем, что при их проектировании и строительстве впервые в российской практике были применены системы арок с диагональными затяжками, разработанные в конце 1880-х - начале 1890-х гг. директором Санкт-Петербургского металлического завода Отто Егоровичем Крелем [1]. Этот тип арочных конструкций не использовался ранее и в европейской практике. Его по праву можно считать изобретением русской инженерной школы конца XIX в.

ИСТОРИЧЕСКИЙ КОНТЕКСТ

Новое здание Верхних торговых рядов было построено в 1889–1893 гг. на Красной площади по итогам конкурса по проекту А. Н. Померанцева. Конструкции перекрытий пассажей были показаны в конкурсном проекте условно и должны были быть доработаны и произведены в рамках тендерного задания одной из фирм производителей металлических изделий в России. Из шести претендентов тендер выиграл Санкт-Петербургский металлический завод [2], предложивший не только самую умеренную смету, но и собственные уникальные конструктивные решения, разработанные в техническом бюро завода. Перед началом строительства на заводе в Санкт-­Петербурге был успешно произведен и протестирован опытный образец, а в 1891 году на «новую систему скрепления металлических арок» была заявлена привилегия (патент), выданная в 1897 году [3].
строительство Верхних торговых рядов в Москве
Строительство Верхних торговых рядов в Москве. Фотоателье Е. Симонова. 1890-е.

ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ

Несущими конструкциями покрытий пассажей Верхних торговых рядов являются циркульные арки. Они установлены на кирпичные стены с шагом 1.5 метра. Ширина пролетов, состоящих из 24 арок, в трех линиях различна и составляет 14,760 м, 12,236 м и 15,274 м соответственно.

Дуги арок выполнены из одиночных прокатных уголков 77x55x8 мм выгнутых по дуге нужного радиуса. На арки установлены ригели (прогоны) с шагом в 740 мм, в количестве 26 штук, формирующие обрешетку для укладки стеклянного покрытия. Каждый ригель состоит из двух прокатных уголков, размером 40x40x4 мм, соединенных болтом. К ригелям с помощью болтов крепятся элементы остекления, а сами ригели с помощью болтов закреплены на дуге арки. Конструкция арок полужесткая с опиранием на чугунный фигурный профиль - контрфорс.
Для того чтобы получить изящную светопроницаемую конструкцию в московских климатических условиях, при высокой ветровой и снеговой нагрузке, в конструкции арочных стропил Верхних Торговых Рядов использованы диагональные затяжки — струны. Они обеспечивают устойчивость арки, но не мешают освещению помещения и практически незаметны снизу, будучи всего 1 см в диаметре. Три пары диагональных струн лучеобразно выходят из двух противоположных опор, закрепляясь к противолежащей стороне арки на одинаковом расстоянии друг от друга.
Струны увеличивают жесткость арки и не позволяют ей выпучиваться в одну сторону при неравномерной нагрузке с другой стороны.
схема конструкций перекрытий пассажей Верхних торговых рядов
Изометрия конструкции арочных перекрытий пассажей

ПРИНЦИП РАБОТЫ КОНСТРУКЦИИ

Циркульная арка передает на опоры нагрузки, которые можно разделить на вертикальную и горизонтальную составляющие. Последняя называется распором, который обычно передается на фундаменты через контрфорсы или массивные конструкции стены. Распор можно уменьшить при уменьшении радиуса дуги иил увеличении сечения арки, однако этот вариант уменьшает светопроницаемость конструкции и является более материалоемким. Распор можно также погасить при помощи установки горизонтальной затяжки, что значительно облегчает конструкцию и устройство опор, на которые в таком случае передаются только вертикальные нагрузки.


Помимо собственного веса на арку оказывают давление ветер и снег, действующие непостоянно и неравномерно. При неравномерной нагрузке арка начинает выпучиваться и нуждается в стабилизации. Собственно, диагональные затяжки хорошо работают с неравномерной нагрузкой, защищая от вспучивания ненагруженную половину арки, так как воспринимают часть распора, работая на растяжение и являясь односторонними выключающимися связями, работающими только в случае появления нагрузки.

сравнение арок без затяжек, с одной затяжкой и с лучевыми струнами

РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИИ

Мы провели расчеты (Karamba3D) и сравнительный анализ деформации арок одинакового сечения (75*55мм) и пролета: а) без затяжек, б) с горизонтальной затяжкой и подвесами, в) с диагональными затяжками.
1) Арка без струн на жестких (не перемещающихся) опорах
Распор передается непосредственно на опоры. Деформация от снеговой нагрузки - 9 см, от ветровой нагрузки - 21 см. Арка деформируется характерно, прогибаясь в средней части и выпучиваясь на 1/4 пролета.
2) Арка с одной горизонтальной затяжкой и тремя подвесами, с одной жесткой и одной свободной опорами.
Распор погашается горизонтальной струной, но на прогиб арки под действием снега не влияет.


Вертикальные подвесы исключительно поддерживают горизонтальную затяжку от провисания от собственного веса. Деформация от снеговой нагрузки — 10 см, от ветровой нагрузки - 21 см.
3) Арка с тремя парами лучевых струн с одной жесткой и одной свободной опорой.
Деформация от снеговой нагрузки — 0.75 см, от ветровой нагрузки 0.57 см. На диаграммах видно, что арка без струн и арка с горизонтальной струной подвергаются деформации от ветра в 37 раз, а деформации от снега в 13 раз больше, чем арка с лучевыми струнами. Анализ показывает, что устройство диагональных затяжек всего 1 см более чем на порядок увеличивает жесткость конструкции.

арки без затяжек, с одной затяжной и с лучевыми струнами. расчетная модель
арки без затяжек, с одной затяжной и с лучевыми струнами. расчетная модель

МАКЕТ

Для макета был выбран масштаб 1:25. Все несущие элементы конструкции были выполнены, из латуни, основа из дерева и фанеры, затяжки из тонкой проволоки. На первой стадии подготовки к производству макета была создана 3D-модель, включавшая все детали для производства в масштабе (см. схему справа). Далее готовились чертежи к производству и закупался материал. Чтобы вырезать арки на лазерном станке, были созданы чертежи арок с пазами для уголков и отверстиями под проволоку.
Для прогонов использовались готовые латунные профили - уголки 2х2 мм. Для более мелких деталей, таких как второстепенные балки, использовалась проволока толщиной 2 мм.


Для струн использовалась леска диаметром менее 1 мм.
Когда все детали были вырезаны на станке, а материал закуплен и подготовлен, началась сборка макета. Сначала отдельные арки собирались вместе со струнами по лекалу, чтобы задать леске правильную длину. Потом был подготовлен подмакетник, для которого были отфрезерованы из брусков карнизы для отпирания арок. После закрепления подмакетника, с нужным шагом на него крепились предварительно собранные 24 арки со струнами и закреплялись клеем.
Последней стадией была установка латунных уголков в пазы арок, а также полуарок остекления.

Фотографии макета: Юрий Пальмин







Благодарность
Особую благодарность хотелось бы выразить куратору выставки «Шухов. Формула Архитектуры», сотруднику Государственного музея архитектуры имени А.В. Щусева Марку Акопяну за проведение экскурсии по выставке, главному архитектору ГУМа Владимиру Камышникову за предоставление чертежей покрытия, Анастасии Долгих за помощь в нахождении архивных материалов, а также преподавателю МГСУ Юрию Южакову, доценту РГГУ Илье Печенкину и главному инженеру Metal Yapi Василию Анопченко за конструктивную критику по проектам.
Источники
[1] Гербст В.И. Доклад на собрании С.-Петербургского Общества Архитекторов 25 Октября 1894 г. // Неделя строителя. 1894. № 44
[2] И.Е. Печёнкин. Чего не придумывал Шухов, или еще раз о перекрытиях Верхних торговых рядов в Москве. Архитектурное наследство. СПб.: Коло. 2018, № 69. С. 148.
[3] Привилегия № 266 на новую систему скрепления металлических арок. 9 августа 1897 г. Свод привилегий, выданных в России в 1897 г.
С.-Петербургский Металлический завод. Краткий очерк деятельности с 1882 по 1896 г. С.-Петербург, 1896.

Дополнительная литература по теме
Размадзе, А.С. Верхние торговые ряды на Красной площади: исторический очерк. Киев, 1894.