макет листопрокатного цеха в выксе

Листопрокатный цех Выксунского
металлургического завода
г. Выкса, 1897-98 гг.
Инженер: В.Г. Шухов
Производитель: Строительная контора инженера А. В. Бари

МАРШ — Технологии. ВА2 2019-2020.
Балыкина Софья, Заславская Ася, Юмагулова Дина, Степанян Кристина, Страту Татьяна, Цыденов Саян

«К числу наиболее интересных и оригинальных конструкций, созданных Шуховым, следует отнести покрытие на Выксунском заводе. Впервые в мировой строительной практике Шухов продемонстрировал возможность компоновать пространственное прямоугольное в плане покрытие двоякой кривизны из однотонных стержневых элементов.»


Инженер Ковельман Г.М


ИСТОРИЧЕСКИЙ КОНТЕКСТ

Успех сетчатых конструкций, спроектированных В.Г. Шуховым для Всероссийской Выставки в Нижнем Новгороде 1896 г., способствовал развитию отношений строительной конторы А.В. Бари, где Шухов работал главным инженером, с Общества Выксунских заводов под управлением А.И. Лессинга.
В результате этого сотрудничества по проекту инженера В.Г. Шухова в 1897 – 1898 годы на Выксунском заводе были построены пространственные сетчатые покрытия цеха для сушки песка (цилиндрический свод) и листопрокатный цех (свод-оболочка двоякой кривизны).
строительство Листопрокатного цеха в Выксе
Прокатный цех металлургического завода в г. Выксе во время строительства, 1897 г.; Исторический фотоснимок. (Личный архив Ф. В. Шухова.)

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ

Покрытие цеха состоит из пяти сетчатых оболочек, создающих единое пространство цеха. Габариты каждой оболочки в плане 14,6 м х 38,4 м.

Основные несущие элементы конструкции каждой секции — трехшарнирные металлические арочные фермы пролетом 38,4 м, состоящие из верхнего пояса, нижнего пояса и раскосов между ними.
На них опирается покрытие, собранное из взаимно пересекающихся однотипных Z-образных профилей (80*40 мм), «выгнутых» по форме циркульной арки. Оно крепится к фермам посредством фасонок, образуя жесткую пространственную конструкцию. На профили покрытия укладываются прогоны обрешетки, на которые крепится кровельное покрытие из листового железа (в настоящее время сохранилось фрагментарно).

Одним из важных несущих элементов конструкции являются затяжки. Они закрепляются в поперечном направлении между двумя основными фермами и воспринимают основной горизонтальный распор от покрытия. Этот элемент иллюстрирует принципы работы лёгких конструкций — замыкание усилий в самой системе.
взрыв-схема конструкции листопрокатного цеха в Выксе
Взрыв-схема элементов конструкции покрытия
построение покрытия листопрокатного цеха в выксе
ПРИНЦИП РАБОТЫ КОНСТРУКЦИИ

Главная особенность работы сетчатого покрытия заключается в его пространственной кривизне и форме направляющей и образующей - циркульных арок со стрелой подъема 1/5-1/6 пролета. При таком соотношении форма циркульной кривой арки максимально близка к параболе и цепной линии, что приводит к отсутствию изгибающих моментов в покрытии и передаче усилий в плоскости поперечного сечения.
В своих расчётах Листопрокатного цеха Шухов также рассчитывает опорные арки и арки покрытия как параболические кривые. В производстве же используются арки из однотипных стержневых элементов, созданных по циркульной кривой. Круговые сегменты прокатных элементов конструкции гораздо проще в изготовлении и тиражировании.


По такому же принципу работает пространственное сетчатое покрытие, созданное из множества однотипных, взаимнопересекающихся сегментов циркульных арок, установленных с одинаковым шагом путем поворота по дуге окружности верхнего пояса главных ферм (схема справа внизу).
Для проверки гипотезы принципа построения геометрии покрытия была создана параметрическая модель в Rhino/Grasshopper. Для построения сетчатого покрытия свода были смоделированы две арки верхнего пояса главных ферм - направляющие покрытия - и построены две центральных арочных дуги - образующие покрытия (на схеме справа выделены красным). Далее, остальные арки были установлены путем поворота каждой (с углом между соседними 4°) вокруг центра окружности верхнего пояса в обе стороны.

АНАЛИЗ РАБОТЫ КОНСТРУКЦИИ

Для расчета конструкции Листопрокатного цеха мы рассмотрели один пролёт из пяти типовых, так как принцип работы конструкции одинаков для всех пролетов. Расчет производился в среде Rhino/Grasshoper с помощью модуля Karamba3D, основанного на методе конечных элементов (МКЭ).

СОБСТВЕННЫЙ ВЕС
Для того чтобы увидеть, как работает конструкция под действием собственного веса + равномерно распределенной по всему пролёту нагрузки от покрытия мы взяли значения веса покрытия из расчётов Шухова - 42,3 кг/м2.
На схеме внутренних усилий можно увидеть работу основных элементов конструкции: верхний пояс больших ферм растянут, нижний сжат. Шарнир, расположенный в центральном верхнем узле ферм исключает момент. Напряжения в самом покрытии равномерные, преимущественно осевые, присутствует небольшой изгиб в узлах пересечения. Горизонтальный распор в поперечном направлении воспринимается тонкими затяжками, работающими на растяжение.

СНЕГОВАЯ НАГРУЗКА
Для того чтобы смоделировать реальный случай нагружения конструкции (более критичный для сводчатых оболочек), мы приняли снеговую нагрузку неравномерной, на одну сторону покрытия - 146,7 кг/м2. При таком загрубении левая часть конструкции прогибается, а правая часть ее выпучивается. Верхний и нижний пояса больших арок испытают изгиб, что видно из несимметричных напряжений сжатия и растяжения в поясах. В верхнем сетчатом покрытии по-прежнему возникают преимущественно осевые усилия без значительных моментов.

ВЕТРОВАЯ НАГРУЗКА
была рассчитана исходя из современных требований к расчётами сводчатых конструкций. Нормативное значение ветрового воздействия - 38 кг/м2. Ветровая нагрузка была приложена к торцевым аркам с двух сторон, с коэффициентом 0.8 с наветренной и -0.4 с подветренной стороны.
Исходя из проведенных нами расчётов можно сделать следующие выводы:
а) форма покрытия играет важную роль в работе конструкции - возникают благоприятные осевые напряжения, способствующие уменьшению сечения элементов.
б) усилия распора от покрытия практически полностью погашаются работой затяжек, вертикальные усилия переходят на главные фермы, отвечающие также за жесткость конструкции при нагрузках в продольном направлении.
расчетная модель листопрокатного цеха в Выксе
Диаграммы внутренних усилий от а) собственного веса, б) снеговой и в) ветровой нагрузок

МАКЕТ

Макет конструкции трех секций Листопрокатного цеха Выксунского завода был создан в масштабе 1:50 из латунного листового материала, а также из латунных профилей, сечениями 2 х 4 мм и 4 х 6 мм.
Производство макета состояло из четырех частей:


а) Раскладка 3D-модели на элементы для лазерной резки.
б) Лазерная резка требующихся элементов, а также подготовка готовых металлических профилей для производства макета.
б) Сборка макета. Пайка элементов конструкций.
в) Патинирование конструкции целиком.

Фотографии макета: Юрий Пальмин


Благодарность
Особую благодарность хотелось бы выразить Государственному музею архитектуры имени А.В. Щусева и куратору выставки «Шухов. Формула Архитектуры» Марку Акопяну за проведение экскурсии по выставке и предоставление архивных материалов и расчетов В.Г. Шухова, а также главному архитектору ГУМа Владимиру Камышникову, преподавателю МГСУ Юрию Южакову, главному инженеру Metal Yapi Василию Анопченко и доценту РГГУ Илье Печенкину за конструктивную критику по проектам.
Источники
Архив Российской Академии Наук, Ф. 1508

Дополнительная литература по теме
Шухов В.Г., Стропила. Изыскание рациональных типов прямолинейных стропильных ферм и теория арочных ферм. Русское Товарищество печатного и издательского дела. Москва. 1897
Шухов В. Г., Строительная механика. Избранные труды; Под редакцией академика А. Ю. Ишлинского. — Москва : Наука, 1977