купол музея академии барона штиглица

Купол Музея Академии Технического Рисования барона Штиглица
Санкт-Петербург, 1885-97 гг.
Архитектор: М.Е. Месмахер
Производитель: завод Ф.К. Сан-Галли

МАРШ — Технологии. ВА2 2019-2020.
Федор Полушкин, Анастасия Славина, Марго Ким, Ульяна Кравченко, Нина Гринько, Александра Казанджан
Трехслойное купольное покрытие над главным выставочным залом Музея прикладного искусства Государственной художественно-промышленной академии имени А.Л. Штиглица в Санкт-Петербурге с общими габаритами 24м х 42 м и площадью основания около 1000 м2 на момент постройки объекта (1896 г.) являлось одним из самых больших железно-стеклянных куполов в России. Трехслойная конструкция перекрытия состоит из нижнего и верхнего куполов, составленных из систем ортогональных плоскостных ферм, стабилизированных в пространстве продольными прогонами, тросами и диафрагмами.

ИСТОРИЧЕСКИЙ КОНТЕКСТ

В Соляном городке Санкт-Петербурга по адресу Соляной переулок, 15 стоит одна из знаковых построек эпохи эклектики — Музей прикладного искусства Санкт-Петербургской государственной художественно-промышленной академии имени А. Л. Штиглица.
Проект музея разрабатывался с 1885 г. по 1896 г. архитектором М. Е. Месмахером с целью объединения под одной крышей различных стилей и эпох, давая таким образом учащимся возможность изучать мировую культуру не выходя из стен академии. Здесь было собрано огромное количество предметов декоративно-прикладного искусства, которые распределялись по различным залам, стилизованным под разные эпохи.
Сердцем же здания архитектор сделал большой выставочный зал - широкий Итальянский двор-палаццо 17 на 29 метров с периметральной колоннадой, предназначенный для экспонирования студенческих работ. Архитектор понимал, что в условиях северного климата открытый двор едва ли создал бы ощущение Италии и наподобие среднеевропейских аналогов схожей типологии решил перекрыть двор трёхслойным куполом из стекла и металла, во внутренней части облицованным витражами, впускающим во двор с колоннадой рассеянный солнечный свет.
Большой выставочный зал Музея академии барона Штиглица
Фото: Instagram / @aleksandrovna_elena

ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ

Конструкция трехслойного покрытия включает в себя:
- Нижний купол, состоящий их серповидных ферм в поперечном направлении, соединенных продольными фермами. Купол остеклен с двух сторон.
- Верхний купол, состоящий из арочных стропильных ферм, соединенных системой тросов и диафрагм. Купол частично остеклен с боковых сторон и покрыт деревянным настилом с металлическим покрытием в верхней части.

Обе конструкции состоят из плоскостных ферм, соединенных между собой в пространственную систему посредством продольных ферм или прогонов.

Конструкцию верхнего купола можно отнести к типу легких конструкций, а ее принцип работы близок к системам, получивших позднее название Тенсегрити (англ. tensegrity от англ. tensional integrity — соединение путём натяжения). Это принцип построения конструкций из стержней и тросов, в которых стержни работают на сжатие, а тросы — на растяжение. При этом стержни не соприкасаются друг с другом, но висят в пространстве, а их относительное положение фиксируется растянутыми тросами, в результате чего ни один из стержней не работает на изгиб.
Верхний купол состоит из арочных стропильных ферм, соединенных между собой системой затяжек и диагональных раскосов. Арки опираются шарнирно на стены здания, а распор и усилия от внешних нагрузок погашается внутри самой конструкций благодаря системе затяжек. Каждая ферма состоит из верхнего арочного пояса, образованного маленькими фермочками для повышения сопротивления изгибу, внутренних раскосов, тросов нижнего пояса и соединительного горизонтального троса с подвесом.
купол музея академии барона штиглица
Взрыв-схема элементов конструкции покрытия

АНАЛИЗ РАБОТЫ КОНСТРУКЦИИ

Конструкция арочной фермы верхнего купола представляет собой гибрид фермы Полонсо и трехшарнирной арки. От фермы Полонсо она заимствует внутреннюю систему раскосов и затяжек, а от арки — форму верхнего пояса, объединяя, таким образом, положительные характеристики работы обеих систем.

1. Ферма Полонсо (Вигмана, Русская)
Ферма Полонсо состоит из прямолинейного верхнего пояса, шпренгелей и и нижних затяжек. Под вертикальными нагрузками (гравитация, снег) изгибающие напряжения верхнего пояса нивелируются устройством шпренгелей (раскосов), работающих на сжатие. Стабилизация шпренгелей осуществляется тросами, работающими на растяжение. Для погашения общего распора системы нижние концы центральных шпренгелей соединяются горизонтальной затяжкой, при больших пролетах подвешенной к коньку фермы посредством дополнительного троса.

2. Арка
По сравнению со стропильными системами, арочные конструкции как правило легче и используются для перекрытия больших пролетов.
Основной проблемой всех арочных конструкций является распор, который может восприниматься опорными стенами или устройством горизонтальной затяжки. Также слабым местом арок является потеря устойчивости при неравномерной нагрузке (снеговой или ветровой). Для стабилизации конструкции прибегают к увеличению сечения или к устройству дополнительных диагональных тяг.

3. Комбинированная система купола Штиглица.
При создании конструкции купола большого пролета (17 метров) возможно Месмахер, исходя из климатических особенностей Санкт-Петербурга, создал конструкцию, которая бы объединяла положительные качества двух вышеперечисленных систем. Устройство верхнего пояса в форме циркульной арки позволяет уменьшить изгибающие моменты от вертикальной нагрузки, а комбинация с системой раскосов и затяжек — повышает жесткость арки, склонной к выпучиванию при неравномерных нагрузках.
арки купола музея барона штиглица
Взрыв-схема элементов конструкции покрытия
4. Снеговая нагрузка
Нормативное значение снеговой нагрузки в Санкт-Петербурге принято за 2.4 kN/м².
Нагрузку от снега воспринимает покрытие кровли (плоскостная), передавая ее на прогоны (линейная), которые в свою очередь передают ее дальше на арки (точечная).
На диаграмме напряжений от снеговой нагрузки видно, что арочный верхний пояс работает преимущественно на сжатие, а средний раскос и тросы - на растяжение. В отличие от сжатых раскосов фермы Полонсо, в данном случае раскос не дает арке выпучиваться наружу.
Большую роль играет горизонтальный трос, являясь основным элементом, погашающим распор и не дающим арке деформироваться под снегом.

5. Ветровая нагрузка
Нормативное значение ветровой нагрузки в Санкт-Петербурге на единицу покрытия принято за 0.98 kN/м²
Как и в случае со снеговой нагрузкой, был произведен расчет точечной нагрузки, передающейся от прогонов на арку в соответствии со значением угла.
На диаграмме напряжений от ветровой нагрузки видно, что верхний пояс и тросы с наветренной стороны работают преимущественно на растяжение, а раскосы и тросы подветренной стороны - на сжатие. При сравнении со снеговой нагрузкой видно, что элементы подвержены другому типу напряжений и другие элементы задействованы для восприятия нагрузки.

арки купола музея барона штиглица

МАКЕТ

Собрать макет купола в масштабе было непростой задачей. В качестве материала была выбрана латунь, нарезанная на лазерном станке по объемной модели, в сочетании с медной проволокой различных сечений. В ходе производства макета мы столкнулись с большим количеством сложных задач. Во-первых, необходимо было разработать метод упрощения деталировки конструкции, который бы не нанес ущерба общему принципу работы конструкции.


Во-вторых, жесткость конструкция получает лишь по окончании сборки, а до этого момента макет нуждался в большом количестве дополнительных приспособлений.
Также пайка, выбранная как основной способ соединения, вызывала много трудностей, которые были преодолены с помощью парной работы участников команды.
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, сотруднику СПГХПА им. А.Л.Штиглица Никите Андрееву за предоставление фотографий и других материалов по истории музея, Анастасии Долгих за помощь в нахождении архивных материалов в РГИА и ЦГИА СПб, а также преподавателю МГСУ Юрию Южакову, главному архитектору ГУМ Владимиру Камышникову, доценту РГГУ Илье Печенкину и главному инженеру Metal Yapi Василию Анопченко за конструктивную критику по проектам.
Источники
Журнал "Строитель. Вестник архитектуры, домовладения и санитарного зодчества", 1897 г.
Журнал "Зодчий", №26, 1897 г.
Смышляев В., Сан-Галли. Человек и завод Санкт-Петербург: Нестор, 2007. - 334 с.

Дополнительная литература по теме
Тыжненко Т.Е., Творчество архитектора М.Е. Месмахера. Том 1,2 : диссертация кандидата архитектуры 18.00.01. - Ленинград, 1984. - 215 c.
Прохоренко, Г.Е., Музей Центрального училища технического рисования барона А. Л. Штиглица : История создания и формирования коллекции : диссертация кандидата искусствоведения : 07.00.12. - Санкт-Петербург, 2000. - 239 с.