Тайны ангела. Как ученые спасали хранителя Санкт-Петербурга

МОСКВА, 27 мая - РИА Новости. Сегодня исполнилось 320 лет со дня основания Санкт-Петербурга. Одним из главных символов города считается вращающаяся от ветра скульптура "Ангел-хранитель" на шпиле Петропавловского собора. К концу 20 века, после 130 лет работы, исторический поворотный механизм был серьезно изношен. Команда инженеров из Петербургского политеха принимала участие в восстановлении агрегата. История спасения ангела в материале РИА Новости, подготовленном при поддержке СпбПУ.

Фигура ангела-хранителя с крестом, который должен был беречь Петербург от всех напастей, украсила каменную колокольню Петропавловского собора, перестроенную в Петропавловской крепости архитектором Доменико Трезини в 1722 году. К концу XX века, после серии неудачных реконструкций композиция утратила 70% несущей способности.

В 2000 году начались реставрационные работы, и было принято предложение конструктора В.Г. Гиммельмана восстановить исторический поворотный механизм, который был создан в 1858 году талантливым военным инженером Дмитрием Ивановичем Журавским и являлся примером "высоких технологий" своего времени.

Активное участие в восстановлении работоспособности поворотного механизма флюгера принимали инженеры лаборатории "Вычислительная механика" (CompMechLab®) Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ).

Как рассказали ученые, проблема соединения строительных металлоконструкций в различные периоды решалась по-разному. При горновой, или кузнечной, сварке, которая широко применялась до конца XIX века, изделия из железа соединяли путем их нагрева до сварочного жара в кузнечных горнах с последующей проковкой молотом.

Около 1830 года появились заклепки, которые позволили создавать новые конструктивные формы. Наибольшее распространение получили клепаные соединения, выполненные заклепками с потайными головками (у Дмитрия Журавского – "заклепки въ раскраску, въ потайку"), которые позволяют получить гладкую поверхность изделия ("въ гладь съ поверхностiю склепываемыхъ частей"). Так как металлический шпиль Петропавловского собора был спроектирован всего через 20 лет после появления заклепок, применение этой технологии стало передовым для своего времени.

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

В середине XIX века было решено заменить накренившийся шпиль, а заодно обновить и фигуру ангела. По итогам конкурса проектов 1853 года строителем шпиля был назначен Дмитрий Журавский, скульптуру должен был воссоздать академик Роберт Залеман.

Журавский предложил оригинальную конструкцию поворотного механизма флюгера. Теперь вес ангела вместе с противовесом принимался специальным цилиндрическим выступом на спице. Поворотный механизм содержал четыре опорных узла – один упорный и три радиальных.

С 1858 года четвертый ангел свободно вращался на шпиле, повинуясь дуновению ветра. Этот уникальный, надежный и простой поворотный механизм флюгера с применением роликовых подшипников, не требующий специального обслуживания, исправно прослужил более 130 лет.

В годы Великой Отечественной войны Петропавловский собор сильно пострадал от бомбежек и обстрелов. Весной 1956 года началась первая серьезная реставрация собора, был частично отремонтирован и ангел.

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 показало, что детали поворотного механизма основательно износились и проржавели.

При реставрации 1991–1995 годов конструкция поворотного механизма была существенно ухудшена, и после установки фигуры в ноябре 1995 года некоторые детали сломались, а вращение ангела оказалось затруднено.

В 2000 году в ходе реставрационных работ в рамках подготовки к празднованию 300-летия Санкт-Петербурга ученые лаборатории "Вычислительная механика" (CompMechLab®) СПбПУ разработали уникальную пространственную конечно-элементную модель флюгера "Ангел".

Модель позволила ученым провести всесторонний анализ воздействия нестационарной ветровой нагрузки на систему "спица с яблоком и крестом – поворотный механизм – каркас – ангел". С ее помощью удалось исследовать динамическое контактное взаимодействие и зависимость величины зазоров между роликами опорных узлов и цилиндрической поверхностью спицы от времени.

"Когда более 20 лет назад я разговаривал с главными конструкторами ведущих предприятий Санкт-Петербурга о нашей работе, то встретил большое удивление с их стороны, так как все понимали, что риски качественного выполнения работы в кратчайшие сроки были весьма велики, а потому многие отказались от ее выполнения", – вспоминает руководитель проекта, проректор по цифровой трансформации СПбПУ (в 2003-м – руководитель лаборатории "Вычислительная механика" (CompMechLab®) Алексей Боровков.

С одной стороны, ученым нужно было восстановить функциональность конструкции шпиля и флюгера, а с другой стороны, они не могли ничего менять, так как Петропавловский собор является историческим наследием мирового уровня.

Математическая модель шпиля позволила специалистам оценить прочность конструкции флюгера на основе изучения динамического контактного взаимодействия, проанализировать и обосновать правильность выбора всех предлагаемых конструктивных решений и материалов и спрогнозировать поведение сооружения на разных этапах его жизненного цикла.

В ноябре 2002 года результаты проверки работоспособности механизма подтвердили правильность выбора конструктивных решений и материалов. В феврале 2003 года была проведена сборка поворотного механизма и самого ангела на шпиле собора. Работы были приняты государственной комиссией.

Отреставрированный поворотный механизм флюгера содержал все основные элементы исторической конструкции Антонио Ринальди и Дмитрия Журавского без использования дополнительных "лишних деталей" (три опорных узла; 8 роликов с вертикальными осями; 4 ролика с горизонтально расположенными осями; разъемные корпуса радиальных опорных узлов с элементами крепления к ним каркаса ангела).

13 февраля 2003 года настоятель Петропавловского собора освятил отреставрированный символ Санкт-Петербурга на высоте 120 метров. К 300-летию города, в мае 2003 года, ангел вновь "взлетел" на шпиль Петропавловского собора.

"Если бы во время реконструкции шпиля что-то пошло не так, то это увидел бы весь город. Но, как мы все видим, спустя 20 лет полет нормальный. И я уверен, что запас прочности у отреставрированного механизма на десятки лет вперед. Его исторический предшественник проработал без малого 140 лет", – рассказал Алексей Боровков.

Для специалистов Санкт-Петербургского политехнического университета участие в работах по реконструкции шпиля Петропавловского собора и флюгера "Ангел" стало важным опытом. По их словам, ученые не только прикоснулись к великой истории, торжеству инженерной мысли середины XIX века, но и продемонстрировали применение передовых цифровых и производственных технологий для решения этой непростой, но очень интересной задачи.