CC BY
28—------ЖИЛИЩНОЕ ■—
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 721
И.А. ПРОКОФЬЕВА, канд. архитектуры, Московский архитектурный институт (МАРХИ)
Цилиндрический свод В.Г. Шухова в общественных и торговых сооружениях Москвы и Нижнего Новгорода
Показано, что в конце XIX в. В.Г. Шухов (1853-1939 гг.) усовершенствовал существующую конструкцию све-топрозрачного покрытия - цилиндрический свод и разработал совершенно новый тип конструкции - арочную ферму с выключающимися наклонными связями. Этот уникальный тип покрытия широко используется в современной практике строительства зданий и сооружений.
Ключевые слова: арка, цилиндрический свод, стропила.
В XIX в. начали появляться новые типы зданий, не имевшие аналогов в архитектуре прошлых веков (выставочные павильоны, пассажи, универсальные магазины, крытые рынки, банки, железнодорожные вокзалы). Их пространственная организация и очертания были непривычны, они были порождены новыми требованиями, предъявляемыми к застройке больших городов. Основной проблемой новых типов сооружений было перекрытие значительного пространства.
Первый светопрозрачный цилиндрический свод реализован в 1829 г. в Париже во дворце Пале-Рояль в Орлеанской галерее (рис. 1). Это уникальное покрытие архитекторы и конструкторы копировали на протя-
жении всего XIX в., создавая в каждом городе свой собственный Пале-Рояль.
Хрустальный дворец Д. Пакстона (рис. 2) и целый ряд выставочных павильонов характеризуют мощное направление развития конструкции данного типа в Европе в XIX в.
В России выдающийся инженер Владимир Григорьевич Шухов усовершенствовал уже существующие конструкции и предложил новые самые простые и экономичные решения этого типа покрытия. Основные положения конструирования и расчета цилиндрических сводов и арочных конструкций он изложил в монографии «Стропила» [1]. Расчет сводчатых пространственных конструкций В.Г. Шухов выполнял аналогично расчету арок - плоских конструкций, усиленных системой стержневых элементов - тяг. Конструктивная основа арочных ферм В.Г. Шухова - это жесткий верхний пояс - арка из стали или древесины, часто сквозная для увеличения изгибной жесткости. Наи-
Рис. 1. Орлеанская галерея в Париже, арх. П. Фонтен, 1829 г.
более ярким примером подобного типа конструкции является покрытие построенного в 1896 г. выставочного павильона «Машинное отделение» в Нижнем Новгороде (рис. 3): «Арка верхнего пояса была выполнена из двух ветвей уголкового профиля, соединенных между собой треугольной решеткой. Арка имела полуциркульную форму, а точнее форму ломаной линии, вписанной в окружность; каждая арка состояла из четырнадцати монтажных секций. Здание выставочного павильона было трехпролетное. Все три пролета здания имели арочные покрытия с системой гибких затяжек. Использование сквозного верхнего пояса арочной фермы позволило создать большую изгибную жесткость и сохранить легкость конструкции. Для покрытия Нижегородского выставочного павильона были применены арочные фермы с четырьмя наклонными растянутыми стержневыми элементами - тягами» [2].
В XIX в. все цилиндрические своды светопрозрачных покрытий выполня-
Рис. 2. Хрустальный дворец в Лондоне, арх. Д. Пакстон, 1851 г.
лись с горизонтальными затяжками в арочных конструкциях для восприятия горизонтальных распирающих усилий, или распора, возникающего в арках. Важным примером использования В.Г. Шуховым подобного типа конструкции является пологая ферма с горизонтальными затяжками в павильоне «Железные дороги» (рис. 4), построенном в 1896 г. на Всероссийской выставке в Нижнем Новгороде. Однако в данном случае отличительной особенностью предложенных В.Г. Шуховым конструкций арочных ферм было применение кроме горизонтальных затяжек наклонных тяг, которые увеличивали жесткость арок. Наклонные тяги, выполненные из гибких стальных стержней, работали и рассчитывались только на растяжение, имели вследствие этого небольшое поперечное сечение и не утяжеляли конструкции. При возникновении в них сжимающих усилий они должны терять устойчивость или выпучиться,
другими словами, выключиться из работы конструкции (рис. 5, 6). В.Г. Шухов применил совершенно новый тип конструкций, который позднее получил название «системы с односторонними выключающимися связями». При увеличении высоты арки и уменьшении отношения ее величины к ширине основания арки, по расчетам В.Г. Шухова, необходимость в применении мощных горизонтальных затяжек отпадает, и большую часть работы выполняют наклонные тяги. Точность подобного расчета проверена на практике. Цилиндрические своды из стекла и металла с наклонными тягами по проекту В.Г. Шухова были установлены в Верхних торговых рядах (рис. 7), Петровском (рис. 8) и Го-лофтеевском (рис. 9) пассажах.
Верхние торговые ряды (арх. А.Н. Померанцев) - первый московский пассаж, в котором для покрытия над проходами был применен стеклянный цилиндрический свод. Просвет про-
дольных пассажей - стеклянные покрытия в своем сечении представляют дугу, хорда которой равна почти 15 м. На покрытие стеклом каждого пассажа потребовалось до 20 тыс. стекол размером 44,5x53,4 см. Общий вес железных стропил и покрытий достигал 819т[3]. Цилиндрический свод выполнялся из стальных арок, каждая из которых состояла из двух ветвей уголкового профиля, соединенных между собой треугольной решеткой. Причем В.Г. Шухов, проведя точный анализ расчетов конструкции такого типа, нашел идеальное решение в отношении минимального расхода материала и использовал его в пассаже. Главная идея этого принципа заключалась в том, что расстояние между стальными арками было таким, что на них можно было непосредственно устанавливать элементы кровли -стальные рамы со стеклом.
Для придания дополнительной жесткости покрытию пассажа было
Рис. 4. Павильон «Железные дороги» на Всероссийской выставке в Нижнем Новгороде, арх. В. А. Коссов, 1896 г.: а — фасад; б — интерьер
—------ЖИЛИЩНОЕ ■—
СТРОИТЕЛЬСТВО
Рис. 6. Схемы работы наклонных тяг в арочных конструкциях В.Г.Шухова [2]
Рис. 5. Арка с наклонными тягами. Эскиз В.Г. Шухова (Архив Российской академии наук)
применено сочетание арочных конструкций с системой наклонных и горизонтальных растянутых стержневых элементов - тяг. Эти гибкие тяги, или затяжки, были выполнены из круглой стали и крепились к нижней ветви арки при помощи листовых фасонок.
Для обеспечения необходимого натяжения и предотвращения провисания тяги в конструкциях Владимир Григорьевич Шухов применял стяжные муфты. Однако в покрытии Верхних торговых рядов в Москве стяжные муфты отсутствуют. «В то же время тяги имеют необходимое равновесное натяжение. Для объяснения причины такого явления недостаточно сослаться на точность изготовления элемента и монтажа конструкции. Можно с достаточной
точностью предположить, что В.Г. Шухов использовал возможность натяжения всех наклонных тяг путем предварительного напряжения, которое создается благодаря податливости опор арок и изменения вследствие этого длины горизонтальной затяжки» [2].
Следует отметить, что впервые примененные Шуховым на Нижегородской выставке, а затем в пассаже Верхних торговых рядов арочные конструкции с тягами являются первыми арочными конструкциями покрытия с односторонними выключающимися связями. Они предшествовали появлению целого ряда сводчатых и арочных конструкций легких покрытий.
В 1906 г. по проекту архитектора С.М. Калугина построен Петровский
пассаж. Конструкции стеклянных цилиндрических сводов пассажа проектировал инженер В.Г. Шухов [4]. В Петровском пассаже своды были сделаны на основе стянутых стальных дуг, как и в Верхних торговых рядах. Кроме того, Шухов предложил новое интересное решение: стеклянные секции в стальных рамах были наложены одна на другую (по принципу черепицы), так чтобы между ними проходил воздух для проветривания. Надежность этого решения была доказана годами. Исходя из опыта строительства более ранних пассажей было принято решение отапливать только пространство магазинов; проходы под стеклянной крышей даже в самые сильные морозы эффективно отапливать не было возможным.
Рис. 7. Верхние торговые ряды в Москве, арх. А..Н. Померанцев, 1889—1893 гг.: а — интерьер 2-го этажа; б — фрагмент покрытия; в — поперечный разрез
14 м
Л
Сохранение архитектурного наследия
Рис. 8. Петровский пассаж в Москве, арх. С.М. Калугин, 1904—1906 гг.: а — интерьер; б — фрагмент покрытия; в — поперечный разрез
Интерьеры пассажа были решены в светлых тонах и имели многочисленные белые лепные украшения, на этом фоне контрастно выделялись черные чугунные решетки галерей и торшеры светильников. Светлое пространство проходов уступами расширялось кверху. Крытые улицы пассажа представляли собой сплошные симметричные ряды магазинов. Большие витрины и двери магазинов являлись элементами, задавшими масштаб первого этажа заключенных в стекло улиц. Витрины второго этажа имели более скромные размеры. Тонкие ажурные решетки балкона и узкие оконные проемы третьего этажа как бы готовили зрителя к восприятию воздушной каркасной конструкции свода, завершающей всю композицию интерьера. Задуманная и осуществленная логика вертикального уменьшения масштаба создавала впечатление легкости и высоты. Контрастный переход от уличного фасада к архитектуре глубокого затемненного проема входа и дальше - к дневному свету, пространственному началу крытой улицы, хорошо продуманный в этом сооружении, являлся типичным
приемом в архитектуре московских пассажей, а также часто встречался в сооружениях этого типа, возведенных в холодном климате.
Петровский пассаж, обнаруживая очевидное влияние европейского опыта строительства данного типа сооружения, сочетал простую схему планировки и новейшие конструкции.
Благодаря новым легким конструкциям В.Г. Шухова появилась возможность увеличить пролет перекрываемого пространства, что повлияло на архитектурный облик новых типов сооружений: пассажи стали похожи на улицы, заключенные в стекло.
Арочные фермы с наклонными тягами В.Г. Шухова - первые в мире конструкции покрытия с односторонними выключающимися связями. Принципы расчета и проектирования арочных конструкций с системой гибких затяжек (наклонных тяг) Владимир Григорьевич изложил в своей теории расчета арочных ферм, где подробно разобраны наиболее эффективные примеры типов конструкций и рассчитаны различные системы ферм, узлов, количество элементов и расстояние между ними. Отдельная
тема, которой В.Г. Шухов уделял внимание, - выбор очертания верхнего пояса в случае арочных ферм с гибкими тягами. Главная цель таких расчетов - минимизация веса покрытия, снижение материалоемкости при сохранении конструктивной прочности. Самый простой пример, который Шухов разбирает в своей работе, - арочная ферма с тремя тягами (рис. 5). При реальной работе конструкции арочной фермы, как уже отмечалось выше, гибкая тяга не может работать
Рис. 9. Поперечный разрез Голофтеевского пассажа в Москве, арх. И.И. Рерберг, 1912-1913 гг.
на сжатие. Поэтому при реальных нагрузках «фермы в одной из тяг возникает сжатие, и она выпучивается. Таким образом, одна из связей выключается из работы конструкции. В этот момент рассматриваемая система становится статически определимой, и ее дальнейший расчет значительно упрощается, так как число неизвестных и число уравнений статики одинаково. Определение места выключения связей в таких системах является наиболее важным и ответственным моментом расчета конструкций с односторонними связями» [2]. В результате расчетов нагрузок и анализа эпюр, уравнений моментов В.Г. Шухов исключал из системы лишние связи, определял местоположение и количество необходимых элементов, наклонных тяг. Предложенный Владимиром Григорьевичем способ определения усилий в арочных конструкциях отличается простотой и точностью, он применяется в расчетах аналогичных схем и в настоящее время. Шухов точно определил оптимальные места прикрепления наклонных растянутых
элементов к арке и доказал, что места оптимального прикрепления наклонных тяг для арок с тремя затяжками расположены примерно в третях пролета арки. В своих расчетах инженер учитывал три основных параметра, влияющих на вес и устойчивость системы: шаг ферм, расстояние между элементами обрешетки и расстояние между узлами верхнего пояса арочной фермы. Количество наклонных тяг прямо пропорционально связано с пролетом фермы. В результате исследования Шухов выявил ряд закономерностей: «во-первых, вес покрытия на единицу площади уменьшается пропорционально уменьшению длины панелей верхнего пояса и расстоянию между фермами; во-вторых, минимальный вес покрытия достигается при равенстве всех трех параметров, т. е. равенстве длины панелей верхнего пояса шагу ферм и шагу элементов обрешетки» [2].
Арочные конструкции В.Г. Шухова предшествовали появлению целого ряда сводчатых и арочных конструкций легких покрытий. Они имеют ряд
преимуществ по сравнению с более ранними типами и в настоящее время рассматриваются как один из наиболее перспективных типов конструкций. Разработанные В.Г. Шуховым более ста лет назад арочные конструкции эффективны и в наши дни, они широко используются в современной практике проектирования и строительства зданий и сооружений.
Список литературы
1. Шухов В.Г. Стропила. Изыскание рациональных типов прямолинейных стропильных ферм и теория арочных ферм. М.: Русское тов-во печатного и издательского дела, 1897. 120 с.
2. Грефе Р., Гаппоев М.М., Перчи О. В.Г.Шухов (1853-1939): Искусство конструкции. М.: Мир, 1994. 192 с.
3. Сытин П.В. История планировки и застройки Москвы: материалы и исследования. Т. 2. М., 1950.
4. Архив ЦНД УГК ОИП г. Москвы. 1-751 Петровский пассаж. Т. 3. Кн. 1. д. 8. л. 6.
1 - 3 декабря 2010 г., г. Сургут
специализированная выставка 'АРХИТЕКТУРА И ГРАДОСТРОИТЕЛЬСТВО - 2010я
Тематические разделы выставки: Архитектура и градостроительство.
Энергетика. ЖКХ. Малоэтажное деревянное домостроение.
Финансовая ярмарка. РиэлтЭкспо. Зарубежная недвижимость.
Организатор: ОАО ОВЦ "Югорские контракты" При поддержке Правительства Ханты-Мансийского автономного округа - Югры, НО "Союз строителей Югры"
(3462)32-90-60,32-04-32, е-таП: danilova_u@wsmail.ru, www.yugcont.ru
