События 27 Мая 2018 года
Данная новость была прочитана 881 раз

Компьютерный инжиниринг CompMechLab на страже символа Санкт-Петербурга: флюгер Ангел - 15 лет, полёт нормальный!

Цифровое проектирование, компьютерный и суперкомпьютерный инжиниринг материалов, физико-механических и технологических процессов, машин и конструкций, разработка цифровых моделей с высокой степенью адекватности реальным объектам с учетом матрицы проектных целей и ограничений, а также всего жизненного цикла изделий… Всего этого и многого другого 300 лет назад, при рождении Санкт-Петербурга, просто не существовало не только как явления, но и как идеи.

Да что там – еще 15 лет назад не многие знали и понимали, что такое системный инжиниринг и зачем нужно компьютерное моделирование, в частности, при реставрации исторических архитектурных объектов. А вместе с тем тогда, в 2003 году, сотрудники лаборатории «Вычислительная механика» (CompMechLab®) кафедры «Механика и процессы управления» Петербургского Политеха под руководством Алексея Ивановича Боровкова разработали не имеющую аналогов в инженерной практике цифровую модель, предназначенную для выполнения многомодельных, многовариантных и многопараметрических компьютерных экспериментов, чтобы к 300-летнему юбилею Северной столицы над Невой смог снова легко парить символ города, его страж и покровитель – Ангел на шпиле Петропавловского собора.

16 мая (27 мая по новому стилю) 1703 года по повелению Петра I на Заячем острове в устье Невы была заложена крепость для охраны выхода к Балтийскому морю. «И нарекли имя оной Санкт-Питер-Бурх» 29 июня (12 июля) 1703 года, в день святых апостолов Петра и Павла («Петров день»); в тот же день состоялась закладка деревянной церкви. Петр сразу решает, что быть здесь столице России.

На гравюрах 1712 года деревянная церковь уже изображается расписанной под камень, с двумя башнями у входа, фигурным куполом и колокольней со шпилем над серединой здания. В этом году церковь была разобрана и перевезена на Петроградскую сторону, а на ее месте заложена каменная; перестройка поручена архитектору Доменико Трезини.

В 1722 году достраивается каменная колокольня Петропавловского собора, которая по замыслу Петра I и Трезини стала одним из главных символов новой Российской империи. Высота Петропавловского собора была 112 метров – на 32 метра выше колокольни Ивана Великого в Москве, как того и желал Петр Великий. По воспоминаниям ганноверского посланника Х. Вебера, храмовое сооружение оценивалось «как прекрасное, подобно чему в России пока еще найти нельзя». Деревянный шпиль колокольни имел позолоченную медную кровлю и был увенчан «яблоком» и фигурой ангела-хранителя с крестом, который должен беречь Петербург от всех напастей.

Первая фигура ангела-хранителя Санкт-Петербурга на шпиле Петропавловского собора была выполнена голландским мастером Г. ван Болесом в 1720-х годах. После пожара 1756 года она была восстановлена по рисункам Д. Трезини. Ураганом 1777 года фигуре второго ангела были нанесены серьезные повреждения – и было решено уменьшить ее размеры, вес и изменить расположение. Третий ангел был изготовлен по эскизу А. Ринальди.

В 1829 году ураганный ветер сильно накренил шпиль и повредил фигуру ангела, выполнявшую функцию флюгера. Кровельщик Петр Телушкин без воздвижения дорогих строительных лесов, используя лишь веревочную лестницу, смог за несколько недель отремонтировать флюгер, за что получил значительное денежное вознаграждение и, как гласит городская легенда, право на чарку в любом кабаке города.

В 1834 году шпиль вновь накренился, так как деревянный каркас начал подгнивать. По итогам конкурса проектов 1853 года строителем шпиля был назначен талантливый военный инженер Д.И. Журавский, фигуру ангела вместе с крестом было решено заменить. В 1857 году Д.И. Журавский предложил заменить и деревянный шпиль, который требовал частых ремонтов и подновлений, невиданным до той поры в строительной практике металлическим каркасом по принципу мостовых ферм, прочных и легких.

Высота креста – около 6,5 метров, высота фигуры – 3,48 метра, размах крыльев – 3,56 метра. Высота Петропавловского собора – 122,5 метра: самое высокое здание России до 1952 года и Санкт-Петербурга – до 2012 года.

В 1858 году, во время замены деревянных конструкций на стальные, фигура ангела была снята. Вместо неё установили новую, уже четвертую по счету, фигуру по проекту скульптора академика Р. Залемана (копию ангела Ринальди), для которой Журавский предложил оригинальную конструкцию поворотного механизма флюгера. Теперь вес ангела вместе с противовесом воспринимался специальным цилиндрическим выступом на спице. Поворотный механизм содержал четыре опорных узла – один упорный и три радиальных. Упорный узел содержал четыре ролика с горизонтально расположенными осями и опирающихся на цилиндрический выступ. В каждом из трех радиальных опорных узлов (нижнем, среднем и верхнем) было по восемь роликов с вертикально расположенными осями, размещенных в два ряда. К разъемным корпусам радиальных опорных узлов крепился каркас ангела – с одной стороны для верхнего узла и с двух сторон для среднего и нижнего опорных узлов.

Металлический каркас 34-ярусного шпиля Петропавловского собора

Характерный вид типичного яруса/пояса шпиля

В годы Великой Отечественной войны 1941–1945 годов Петропавловский собор сильно пострадал от бомбежек и обстрелов, поэтому весной 1956 года начали первую серьезную реставрацию собора. К празднованию 250-летия города в 1957 году была проведена реставрация обшивки шпиля (с использованием подвесных вантовых лесов), а также частичный ремонт Ангела.

За последующие 30 лет каркас фигуры потерял около 70% несущей способности, поворотный механизм износился, а позолота частично была утрачена. В 1991 году фигуру ангела заклинило, и конструкцию демонтировали с помощью вертолета. Обследование деталей снятого со спицы поворотного механизма ангела показало, что они основательно износились и проржавели.

Ленинград, 1990. Источник: mapio.net

С 1991 по 1995 годы продолжалась реставрация, в ходе которой в подшипниках Д.И. Журавского появились новые детали, каких раньше не было: цилиндрические вкладыши. Так как такие вкладыши нельзя просто надеть на спицу шпиля, потому что на ней есть выступы для фиксации ангела и креста, все три цилиндрических вкладыша разрезали по диаметру, что существенно ухудшило конструкцию, и затем установили их, состоящими из двух половинок. Вдобавок толщина верхнего вкладыша была сделана слишком малой.

Открытая связь, составленная из двух железных полос и оканчивающаяся проушиной с «трехдюймовымъ круглымъ шкворнемъ»

Фрагмент металлоконструкции шпиля. На фотографии представлены стропильные ребра, кольцо и раскосы

Отреставрированного ангела в ноябре 1995 года установили на шпиле с помощью вертолета, и через некоторое время произошло то, что и должно было произойти: раскололся на мелкие кусочки цилиндрический вкладыш верхнего опорного узла. Обломки вкладыша попали под ролики и стали затруднять вращение ангела.

Фотография подшипников 2002 года. Один из цилиндрических вкладышей раскололся, и его обломки явились причиной заклинивания свободного вращения фигуры ангела.

В 2000 году начались реставрационные работы в рамках подготовки к празднованию 300-летия Санкт-Петербурга. В 2002 году для восстановления работоспособности поворотного механизма реставрационно-строительная компания «Акме дек» привлекла на конкурсной основе ряд фирм. Из всех вариантов выбрали предложение главного конструктора ФГУП «КБСМ» В.Г. Гиммельмана – восстановить исторический поворотный механизм Д.И. Журавского. На финальной стадии (август 2002 года – февраль 2003 года) активное и решающее участие принимали инженеры лаборатории «Вычислительная механика» (CompMechLab®) СПбПУ.

Для всестороннего анализа воздействия нестационарной ветровой нагрузки на систему «спица с яблоком и крестом – поворотный механизм – каркас – Ангел» в лаборатории «Вычислительная механика» СПбПУ была разработана уникальная пространственная конечно-элементная модель флюгера «Ангел» на основе LS-DYNA-технологий, обладающая высокой степенью адекватности реальному объекту.

Модель флюгера «Ангел» служила для оценки динамической прочности конструкции флюгера на основе анализа динамических напряжений в конструкции и локальных динамических напряжений в зонах множественного контактного фрикционного взаимодействия роликов опорных узлов и цилиндрической поверхности спицы. Модель позволяет исследовать динамическое контактное взаимодействие и зависимость величины зазоров между роликами опорных узлов и цилиндрической поверхностью спицы от времени.

Модель конструкции «спица – поворотный механизм – каркас – ангел». Особенности модели верхнего радиального опорного узла с односторонним креплением каркаса ангела

Модель конструкции «спица – поворотный механизм – каркас – ангел». Особенности модели нижнего радиального опорного узла с двусторонним креплением каркаса ангела

Также была выполнена пространственная КЭ-модель всего шпиля, позволившая проанализировать правильность выбора всех конструктивных решений и материалов, использованных в конструкции.

Конечно-элементная модель первых трех ярусов

Фотография внутреннего строения металлоконструкции шпиля, сделанная авторами статьи с высоты 21-го пояса, «изнутри шпица» и «снизу – вверх»

Фрагмент пространственной стержневой КЭ модели; вид с высоты 21-го пояса, «изнутри шпица» и «снизу – вверх»

Фотография 25 и 26 ярусов металлоконструкции шпиля

Фрагмент пространственной стержневой КЭ модели 25 и 26 ярусов металлоконструкции шпиля

Стоит заметить: проблема выполнения соединений в строительных конструкциях в различные периоды решалась по-разному. При горновой или кузнечной сварке, являющейся исторически первым видом сварки, изделия из железа соединяли путем их нагрева до «сварочного жара» в кузнечных горнах с последующей проковкой молотом – этот способ сварки был распространен вплоть до конца XIX века. Именно о такой сварке и пишет в своем отчете Д.И. Журавский: «Хорошая сварка въ прочности своей не уступаетъ цѣльному желѣзу». Около 1830 года появились заклепки, которые ставились в горячем виде в предварительно образованные в деталях отверстия. Внедрение клепаных соединений позволило создавать новые конструктивные формы, наибольшее распространение получили клепаные соединения, выполненные заклепками с потайными головками (у Д.И. Журавского – «заклепки въ раскраску, въ потайку»), которые позволяют получить гладкую поверхность изделия («въ гладь съ поверхностiю склепываемыхъ частей»).

Учитывая, что Д.И. Журавский проектировал металлический шпиль Петропавловского собора в середине XIX века, всего лишь через 20 лет после появления заклепок, то именно применение клепаных соединений при сооружении металлоконструкции шпиля, безусловно, является ярким примером высокой технологии того времени – Hi-Tech XIX века.

Фотография фрагмента металлоконструкции, сделанная изнутри шпиля

Пространственная модель соответствующего фрагмента металлоконструкции

Конечно-элементное моделирование флюгера и шпиля позволило специалистам CompMechLab® произвести все необходимые расчеты, проанализировать динамические характеристики конструкции, возможные воздействия на нее, проверить работоспособность всех элементов поворотного механизма, спрогнозировать поведение сооружения на разных этапах его жизненного цикла.

Характерное распределение давления по поверхности цилиндра (воздушный поток набегает справа налево)

Характерное распределение скоростей u(y) в 5 точках на поверхности цилиндра (воздушный поток набегает справа налево)

Направление ветра

Направление ветра

Линии тока при обтекании шпиля – преграды с восьмигранным поперечным сечением

Эпюра распределения давления по ½ части контура типичного пояса шпиля – преграды с восьмигранным поперечным сечением

Поле интенсивности напряжений σi (Па) для металлоконструкции шпиля

Фрагмент поля интенсивности напряжений σi (Па) для четырех нижних ярусов металлоконструкции шпиля

Перераспределение интенсивности локальных напряжений σi (Па) в случае выпадения одного болта в типичном соединении

Результаты расчетных исследований и проверка работоспособности поворотного механизма в процессе контрольной сборки на специально изготовленном технологическом стенде подтвердили правильность выбора конструктивных решений и материалов. В ноябре 2002 года на технологическом стенде, обеспечивающем возможность разворота флюгера «Ангел» вокруг вертикальной оси и возможность проверки уравновешенности конструкции в плоскости каркаса относительно упорного подшипника, были выполнены контрольные сборки ангела, которые убедительно свидетельствуют:

  • размеры вновь изготовленных корпусов поворотного механизма, узлов крепления и каркаса обеспечивают собираемость обшивки ангела, состоящей из нескольких частей;
  • вновь изготовленный поворотный механизм обеспечивает плавное вращение флюгера;
  • вновь изготовленный противовес обеспечивает такую погрешность неуравновешенности флюгера, которая не превышает величину трения качения.

В январе-феврале 2003 года специалисты ЗАО «Акме дек», ФГУП КБСМ и ЗАО «Петромаш» провели сборку поворотного механизма и самого ангела на шпиле собора. 11 февраля 2003 монтажные работы были завершены и успешно сданы Государственной комиссии.

Поворотный механизм флюгера содержит все основные элементы исторической конструкции Д.И. Журавского и не содержит «лишних деталей»:

  • четыре опорных узла – 3 радиальных и 1 упорный;
  • 8 роликов, расположенных в 2 ряда, с вертикальными осями в каждом радиальном опорном узле;
  • 4 ролика с горизонтально расположенными осями в упорном узле;
  • разъемные корпуса радиальных опорных узлов с элементами крепления к ним каркаса ангела – односторонним креплением в верхнем узле и двусторонними креплениями в среднем и нижнем узлах.

13 февраля 2003 года настоятель Петропавловского собора провел освящение отреставрированного символа Санкт-Петербурга на высоте 120 метров. К 300-летию города, к маю 2003 года, «Ангел» вновь взлетел на шпиль Петропавловского собора.

Результаты этого уникального проекта не раз освещались и обсуждались на профильных конференциях градостроительного и инженерного сообществ, в частности на VII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования в технических университетах» в 2003 году, на конференции по теме «Проблемы реконструкции и реставрации исторических зданий и памятников архитектуры в Северо-Западном федеральном округе» в 2007 году и многих других.

CompMechLab® из небольшого коллектива энтузиастов развился до мощной команды, ставшей системообразующим центром ведущих объединений в сфере разработки и применения передовых производственных технологий, реализующей крупнейшие проекты как в России, так и в интересах мировых высокотехнологичных компаний-лидеров. Однако участие в проекте реконструкции шпиля Петропавловского собора по-прежнему вызывает особые чувства у специалистов CompMechLab®.

«Мы рады, что после ремонта и комплексной реставрации флюгер Ангел – символ Санкт-Петербурга – уже отработал 15 лет, зимой и летом, весной и осенью, без смазки, в дожди и снегопады, с перепадами температур в десятки градусов, встречающий воздушные потоки и «ловко» от них отворачивающийся...» – сказал А.И. Боровков в преддверии 315-летия Санкт-Петербурга и 15-летия возобновленного полета его Ангела-Хранителя.

Стрелка Васильевского острова (слева) и Марсово поле (справа) с высоты полета Ангела Петропавловского собора (фото участников проекта, 2003 год)


Источники и подробная информация о проекте:

Новости на сайте по теме публикации:
Теги новости:
CompMechLab®