Гиперболоидная башня шухова для чего нужна
Гиперболоид инженера Шухова
Знаете ли вы, как появилась Шаболовская башня? Ее появление связано с именем Владимира Шухова, русского архитектора и инженера, поэтому часто башню называют Шуховской. Башня в центре Москвы была далеко не первым опытом инженера в создании конструкций подобного типа: первую башню по гиперболоидной технологии он спроектировал еще задолго до возведения «Шуховки», в 1986 году. для Всероссийской выставки промышленных достижений и художественного искусства, которая проводилась в Нижнем Новгороде.
Металлическая башня тогда произвела настоящий фурор; после закрытия мероприятия конструкцию купил известный фабрикант Нечаев-Мальцов, который увез ее под Липецк. В пользу башни сыграла еще и ее мобильность: ее было довольно просто разобрать и собрать на новом месте. Она, кстати, и сегодня стоит на месте усадьбы фабриканта.
Что такое гиперболоидная конструкция? Это структура из металла, имеющая незамкнутую основу, которая образована вращением вокруг ее оси гиперболы. Через любую точку поверхности гиперболической конструкции можно провести 2 прямые, имеющие пересечением и целиком принадлежащие единой поверхности конструкции.
Легкость, рациональное и экономное использование стали и высокая надежность – вот что отличало шуховские башни. Неудивительно, что, когда появилась необходимость строительства мачты радиоцентра, вспомнили и про Шухова, и про его детище.
Шухов разработал несколько проектов Шаболовской башни. Первый из них должен был переплюнуть Эйфелеву башню по высоте (350 метров), при весе в три раза меньшем, чем вес французской достопримечательности.
Возведение Шаболовской башни было начато в 1920 году и производилось методом телескопии: каждая секция собиралась у подножия конструкции и поднималась вверх при помощи лебедок, без использования лесов и подъемных механизмов.
Что интересно, гиперболоидные конструкции советского инженера в нашей стране применять перестали после пятидесятых годов прошлого века, а вот за рубежом они являются востребованными и по сей день.
К примеру, изображение Шаболовской башни было логотипом инженерно-архитектурной выставки в центре Помпиду. В 1963 году в городе Кобе (Япония) по мотивам шуховской башни была возведена портовая башня высотой 108 метров, а в начале двухтысячных в Гуанчжоу появилась Башня Кантон – шуховская гиперболоидная конструкция высотой 600 метров.
Читайте также интересное в блоге:
Также можно подписаться в твиттере и в вк.
Шуховский гиперболоид вращения
Почти 94 года назад началось широкое радиовещание с одного из инженерных шедевров того времени — радиобашни, построенной в Москве по проекту Владимира Григорьевича Шухова. Талантливейший инженер, к тому времени уже ставший академиком, возведший множество сложных сооружений по всей стране, Владимир Григорьевич воплотил в своей башне замечательную идею — выполнил несущую конструкцию в виде гиперболоида вращения. Высокая прочность, ветровая устойчивость, дешевизна производства и простота возведения, помноженные на визуальную легкость и изящество башни, по праву сделали ее одним из символов инженерно-архитектурного мастерства. И хотя Шухов спроектировал и построил немало более сложных и совершенных объектов, именно башня стала самым известным его творением.
Инженер по призванию
Башня на Шаболовке — далеко не первая гиперболоидная конструкция, возведенная Владимиром Григорьевичем. Еще в январе 1896 года он подал заявку на получение патента на устройство подобных сооружений. Эта гениальная в своей простоте и эффективности идея родилась у него благодаря анализу… плетеных крестьянских корзин. И впервые она была воплощена в металле на Нижегородской промышленно-художественной выставке 1896 года, где Шухов возвел водонапорную башню высотой 25 м. Резервуар вмещал 10 тыс. ведер воды, а сверху располагалась смотровая площадка, куда вела винтовая лестница.
Эта водонапорная башня сохранилась до наших дней. Она представляет собой однополостной гиперболоид вращения, созданный из 80 прямых стальных профилированных балок. Для повышения прочности были добавлены восемь стальных колец, стягивающих конструкцию.
Стоит отметить, что на этой выставке гиперболоидная башня была не единственным уникальным сооружением Шухова. По его проектам в Нижнем Новгороде впервые в мире возвели стальные сетчатые висячие своды, образующие выставочные павильоны, включая так называемую ротонду Шухова.
После выставки Шухов создал множество ажурных металлических сводов для самых разных объектов. Одними из самых ярких примеров являются своды Киевского вокзала и ГУМа в Москве.
Гиперболоидные и висячие сетчатые конструкции воплощались на сотнях объектов: на заводах, на водонапорных башнях, в общественных зданиях. А под Херсоном был возведен 80-метровый маяк.
Шухов проектировал и более «традиционные» объекты — мосты, цеха, подъемные краны, баржи, нефтеперегонные установки, промышленные котлы, резервуары, трубопроводы и многое другое. Огромное внимание он уделял технологичности своих конструкций, удобству серийного производства и унификации.
Вклад Владимира Григорьевича в индустриализацию Российской империи и Советского Союза неоценим. С его участием возводились такие гиганты промышленности, как Магнитка, Челябинский тракторный завод, Белорецкий, Выксунский, Ижевский и Нижнетагильский заводы, Азовсталь, кавказские нефтепроводы, снабжавшие страну стратегически важным ресурсом. Спустя годы все эти предприятия позволят нашей стране выстоять в жесточайшей войне.
Рождение башни
В 1919 г. Владимир Григорьевич Шухов создал проект 350-метровой гиперболоидной радиобашни — именно она должна была возвышаться сегодня на Шаболовке.
Когда-то Эйфель прославился на весь мир, возведя в центре Парижа 324-метровую башню. Но проект В. Шухова затмил бы конструкцию француза по целому ряду параметров. На создание Эйфелевой башни потребовалось 7,3 тыс. тонн металла, а масса гиперболоидной башни должна была составить всего 2,2 тыс. тонн, при этом она оказалась бы выше на 26 м.
Увы, этот уникальный проект не был реализован. Шел 1919 год, в стране царила гражданская война и разруха.
Металл был в большом дефиците, и Шухову отказали в возведении башни. Тогда неутомимый инженер создал новый проект — высотой около 150 м и весом 240 т. Он был одобрен Лениным, начались работы по возведению.
Постановление Совета рабоче-крестьянской Обороны.
Радиобашня Шухова состоит из шести ярусов (высота каждого — 25 м). Каждый ярус представляет собой гиперболоид вращения — объемную конструкцию из прямых стальных балок, концы которых скреплены стальными кольцами.
Первый ярус опирается на бетонный фундамент диаметром 40 м и глубиной 3 м. Башня возводилась без использования лесов или подъемных кранов — каждый следующий ярус собирался внутри башни, и с помощью блоков и лебедок поднимался наверх. То есть башня вырастала телескопически.
Снабжение стройки металлом осуществлялось по личному распоряжению Ленина, но перебои все равно возникали. Да и качество металла тоже не всегда было удовлетворительным. При подъеме четвертого яруса оборвался стальной трос, и упавшая конструкция повредила уже возведенные ярусы. Это происшествие едва не стоило жизни самому Шухову, поскольку комиссия ЧК изначально расценила это как саботаж.
К счастью, подтвердилась настоящая причина обрыва — усталость металла, поэтому строительство было возобновлено.
Вот цитата из рабочей тетради Шухова, датированная 28 февраля 1919 г., в которой описывается методика расчета радиуса опорных колец каждого гиперболоидного яруса:
«Внешний обвод контура башни. Основной размер. Конус с переменным r набегающим постоянное приращение; в нашем случае r, 2r, 3r, 4r… или вообще r, r + f, r + 2f, r + 3f и т.д. и переменное приращение с непрерывным увеличением уклона от вертикали α. Т.е. приращение уклона выражается формулой α * n * (n – 1)/2, где n — номер этажа башни, считая от верха. Таким образом, получается следующий ряд: 1) f, 2) 2f + α, 3) 3f + 3α, 4) 4f + 6α, 5) 5f + 10α, 6) 6f + 15α, 7) 7f + 21α, 8) 8f + 28α и т.д., причем задаются размеры r, f и α. В данном случае r = 2,75 м, f = 2,75 м = r, α = 0,25 м, и потому радиусы получаются 2.75, 5.75, 9, 12.5, 16.25, 20.25 (уклоны 3→3,25→3,5→3,75→4)».
Исходя из этих данных, радиус опорного кольца яруса n выражается формулой:
R = 2,75 * n + 0,25 * n * (n – 1)/2.
А поскольку высота каждой секции составляет 25 м, то расстояние от вершины башни до опорного кольца секции n равно H = 25 * n. Тогда вышеприведенную формулу можно выразить так:
R = H * H/5000 + H * 21/200
Хотя надо отметить, что фактические размеры опорных колец совпадают с расчетными лишь у четырех нижних ярусов. То есть Шухов внес изменения в проект уже на стадии строительства. Также результаты современных обмеров показывают, что узлы соединения балок разных ярусов совершенно не совпадают с чертежами 1919 года. То есть можно предположить, что после начала возведения Владимир Григорьевич продолжал совершенствовать конструкцию башни, внеся немало изменений по сравнению с исходным проектом.
В 1922 году строительство башни завершилось, и 19 марта началось регулярное радиовещание. В марте 1939 года Шуховская башня стала главным источником и символом телевещания в СССР, сохранив эту роль до ввода в строй Останкинской телебашни.
Детище Шухова вскоре прославилось на всю страну, а затем сетчатые стальные оболочки начали массово применяться и по всему миру. За прошедшие почти 100 лет в мире построено несколько высотных гиперболоидных башен, включая 600-метровую телебашню в Китае. К слову, именно Шуховская башня вдохновила Алексея Толстого на написание фантастического романа «Гиперболоид инженера Гарина».
Гиперболоидная конструкция оказалась очень экономичной с точки зрения металлоемкости, но при этом достаточно прочной. А ее ажурность позволяет эффективно противостоять ветровой нагрузке, главному врагу высотных сооружений. Элементы конструкции просты в производстве, следовательно, стоимость их невысокая. При строительстве не требуется применения сложных или трудоемких технологий, так как соединения выполнялись методом клепки. Устойчивость башни обеспечивается не только за счет взаиморасположения балок, составляющих гиперболоиды, но и благодаря некоторой доле подвижности клепаных соединений, в отличие от сварных или болтовых.
Хотя Шуховская башня в 2 раза ниже Эйфелевой, все же интересно провести поверхностное сравнение данных проектов. О металлоемкости уже упоминалось выше: при сравнимой высоте на конструкцию Шухова требуется в 3 раза меньше металла. Кроме того, башня на Шаболовке более технологична с точки зрения разнообразия номенклатуры деталей и соединительных узлов.
Вот копия чертежа 1919 года:
Башня состоит из прямых балок и кольцевых опор, простых и недорогих в изготовлении. Узловые соединения также имеют простую конфигурацию. Несмотря на то, что фактические конфигурации узлов не совпадают с проектом, они остаются столь же простыми и технологичными.
А вот чертежи Эйфелевой башни, ее соединений и некоторых элементов:
Как говорится, почувствуйте разницу. В отличие от парижского «конкурента», даже первоначальный 350-метровый вариант Шуховской башни требовал бы в разы меньшей номенклатуры деталей и был бы гораздо дешевле в постройке.
Кто-то может возразить, что Эйфелева башня обладает более высокой ветровой устойчивостью. Действительно, за всю историю наблюдений максимальное отклонение верхушки символа Парижа от действия ветра достигло 12 см. Любопытно, что на массивную металлическую конструкцию куда большее воздействие оказывает… солнечный свет. В яркий летний день, когда светило нагревает одну из сторон Эйфелевой башни, ее верхушка может отклоняться на 18 см из-за неравномерности теплового расширения элементов.
Надо сказать, что на момент начала строительства Шуховской радиобашни методика расчета прочности гиперболоидных конструкций была далека от совершенства. В последующие десятилетия ее продолжали развивать и углублять, однако башня на Шаболовке построена на основании расчетов, характерных для своего времени. В частности, использовались упрощенные модели распределения нагрузок, не учитывался ряд характерных особенностей вроде скручивания опорных колец, закрутки балок и продольные деформации. Использовались различные эмпирические и полуэмпирические формулы и коэффициенты, а недостаточная точность расчетов компенсировалась закладкой избыточной прочности. Тем не менее проведенные в последующие десятилетия исследования прочности Шуховской башни, в которых применялись более совершенные и точные методики расчета, показали результаты, близкие к расчетам самого Шухова.
Второй случай связан с другой башней Шухова — гиперболоидной опорой ЛЭП высотой 128 м, установленной на берегу Оки. На самом деле, опор было две, но одну из них в 2005 году уничтожили вандалы — ради металла.
А несколько лет спустя из нижнего яруса второй башни была вырезана треть балок. В таком виде башня простояла еще несколько лет, неся несколько тонн тросов и подвергаясь давлению воды и льдов во время половодий. Впоследствии утраченные элементы конструкции восстановили, и башня стоит до сих пор. Что уж говорить о ветровой устойчивости московской радиобашни.
К сожалению, за 94 года Шуховскую башню на Шаболовке лишь трижды покрывали антикоррозионной краской. То есть бóльшую часть времени она провела без какой-либо защиты. Стальная конструкция ржавела и разрушалась, накапливалась усталость металла. Недавно внутри башни установили поддерживающие конструкции, снимающие часть нагрузки. У той же Эйфелевой башни ежегодно заменяют порядка 3% элементов на аналогичные, изготовленные по тем же технологиям, что и при возведении. А Шуховская башня уже век стоит практически без какого-либо ухода. К счастью, ее разрушение можно остановить, сохранив этот уникальный памятник отечественной инженерной мысли.
Гиперболоид инженера Шухова: Конструктивистские конструкции
Для начала возьмем гиперболоид, фигуру вроде седла, и свернем его в трубочку. У нас получилось? Правильно — простейший макет гиперболоидной башни. Если от вершины ее к основанию провести диагональные прямые, все они пересекутся друг с другом хотя бы в одной точке. Поставим в качестве таких прямых балки. Вертикальных несущих нам не понадобится: полученная объемная решетка уже обладает необходимой жесткостью.
Разумеется, обо всех этих геометрических свойствах изобретатель гиперболоидных конструкций Владимир Григорьевич Шухов прекрасно знал. Он же обнаружил и другие их преимущества: решетчатая основа башни позволяет неплохо сэкономить на материале, а кроме того снизит ветровую нагрузку, которая представляет такую опасность для обычных цилиндрических башен.
Именно Шухов первым в мире предложил башни на основе гиперболоидной конструкции, и еще в 1896 г. отправил заявку на соответствующее изобретение. Тремя годами спустя она была одобрена, и автор стал обладателем патента Российской Империи.
В России
Интересно, что первая гиперболоидная башня была возведена Шуховым еще до официального одобрения патента — летом 1896 г. она стала украшением крупнейшей в дореволюционной России промышленной и художественной выставки в Нижнем Новгороде.
Нижняя 25-метровая часть башни образована 80-ю пересекающимися стальными профилями, сверху и снизу прикрепленными к кольцевым основаниям (нижнее — 11 м, верхнее 4 м в диаметре). Для большей прочности сетка стянутся 8-ю параллельными кольцами. Башня была не просто достопримечательностью, но и экспонатом, которым Шухов демонстрировал свой проект дешевых и надежных водонапорных башен. Сверху на 4-метровое кольцо устанавливался 6,5-метровый бак с водой, на который можно было подняться с помощью стальной спиральной лестницы.
Для удовольствия публики на баке была смонтирована большая смотровая площадка, а также дополнительный малый гиперболоидный модуль, ведущий на малую площадку. В общем высота ее достигала более 30 метров. Фурор, который она произвела, не пропал втуне, и в следующие 15 лет такие башни появились в десятках городов России. Некоторые из них стоят до сих пор.
На той же выставке Шухов представил и другие варианты использования решетчатых конструкций — для крыш и перекрытий. Эти конструкции на основе гиперболоида сделали Шухова родоначальником целого направления в инженерии и архитектуре. Около 1898 г. в той же Нижегородской области по его плану были возведены здания листопрокатного цеха Выксунского металлургического завода длиной 75 и шириной более 38 метров. Они стоят и по сей день!
Открытый Шуховым архитектурно-инженерный принцип казался универсальным: он использовал его для десятков сооружений — и башен, и перекрытий (в том числе в ГУМе, на Киевском и Казанском вокзалах Москвы), мостов и даже для корабельных мачт.
На Оке
Есть в России и еще одна примечательная башня, возведенная Шуховым. Под все тем же Нижним Новгородом — городом, который уже сыграл в жизни архитектора такую большую роль, — на низком берегу Оки стоит единственная в мире опора ЛЭП в виде решетчатой гиперболоидной башни.
Эта высоченная 128-метровая конструкция — единственное, что осталось от построенных в конце 1920-х трех пар башен (две другие пары имели в высоту 68 и 20 м), которые поддерживали провода, протянувшиеся над рекой. Многие годы спустя, когда маршрут высоковольтных линий был изменен, малые пары башен демонтировали. Оставшиеся две башни были признаны памятниками культурного наследия — но это не помешало властям (!) в начале 2000-х разобрать одну из них на металлолом. По счастью, вмешательство международных организаций спасло от разрушения единственную оставшуюся башню.
Весной 2005 г. неустановленные вандалы распилили и увезли часть нижних стальных балок и колец основания, однако в марте 2008 г. их удалось восстановить. По счастью, конструкция Шухова обладает огромным запасом прочности: несмотря на отсутствие части основания, башня умудрилась простоять несколько лет, притом что нижняя ее часть затопляется весенним паводком.
На Шаболовке
Но все-таки, самым знаменитым его проектом стала радиобашня в Москве. Если самая высокая односекционная башня Шухова — Аджигольский маяк под Херсоном — имеет в высоту 70 м, то на Шаболовке она многосекционная и достигает 160 м. Ее по праву считают одним из самых блестящих достижений инженерного гения.
Строительство этого уникального сооружения велось в годы Гражданской войны. Несмотря на то, что решетчатая конструкция позволяла существенно экономить материал (на метр высоты требовалось втрое меньше металла, чем, скажем, для Эйфелевой башни), со сталью в те годы были серьезнейшие проблемы. Поэтому если по первоначальному плану башня на Шаболовке должна была превзойти ту же Эйфелевскую и стать 350-метровой (при весе 2200 тонн), из-за дефицита металла аппетиты пришлось умерить, и Шухов повел стройку по второму проекту, не столь амбициозному.
При строительстве не потребовалось ни подъемных кранов, ни лесов: верхние секции собирались внутри нижней и уже готовыми блоками с помощью лебедок поднимались, устанавливаясь друг на друга. Простота конструкции позволило завершить строительство в кратчайшие сроки, и первая радиотрансляция с башни состоялась уже в 1922 г. Встречена была Шуховская башня всеобщим ликованием — она была единодушно признана не только самый высокой (на тот момент) в России, но и самой красивой.
Вертикальные секции башни представляют собой отдельные гиперболоиды с кольцевыми основаниями и вершинами. Нижняя секция опирается на фундамент глубиной 30 м. Как и у других башен Шухова, отдельные элементы скреплены друг с другом с помощью заклепок.
В 1938 г. с башни состоялась первая трансляция советского телевидения — и она на долгие годы стала главной телеэмблемой страны. Несмотря на то, что сегодня этому шедевру более 80-ти лет, он ни разу не реставрировался. Сегодня она находится в довольно плачевном состоянии: непродуманные попытки «укрепить» ее сваркой и забетонировав фундамент, ржавеющие металлические опоры — все это не лучшим образом сказалось на состоянии башни. Сегодня для защиты ее (и другого наследия Шухова) создан и успешно работает благотворительный фонд: там, где государство отказывается выполнять свои обязательства, за дело берутся меценаты и энтузиасты.
В мире и в будущем
В 1963 г. по заветам Шухова в японском порту Кобе возвели 108-метровую башню, предназначенную для туристов, откуда они могут полюбоваться замечательной панорамой города и побережья. Конструкция не подкачала: даже во время 7-балльного землетрясения, случившегося в 1995 г., башня выстояла. Шуховский гиперболоид представляет собой и 318-метровая башня Aspire в столице Катара Дохе. Это внушительное сооружение в виде факела было открыто в 2006 г., хотя внутренняя отделка его еще не до конца закончена. Интересно, что прочность конструкции позволила разместить здесь настоящий спортивный бассейн — в 80 м над уровнем земли.
Есть гиперболоидные башни в Польше и Бразилии, Испании и Австралии, Чехии и Швейцарии. Сетчатые конструкции использовали, наверное, все великие архитекторы XX века — и Антонио Гауди, и Оскар Нимейер. даже знаменитые здания-шары Бакминстера Фуллера имеют решетчатую основу, изобретенную Шуховым.
Не устарели подобные гиперболоиды и в XXI веке. Более того, сегодня самые дерзкие проекты имеют в своей основе именно такую сетчатую структуру — достаточно вспомнить японский проект башни-города на миллион жителей («Дом-монстр»). Вообще, сетчатые конструкции сегодня становятся основой самых фантастических проектов. Они используются в туннелях, в куполах и, конечно, в башнях. Так, в Китае к Азиатским играм 2010 г. еще в 2005 г. началось возведение колоссальной телебашни Гуанчжоу, которая станет самой высокой в этой стране и обеспечит телевизионную трансляцию этого крупного спортивного события. По завершении высота ее превысит 600 метров!
Существует и еще один впечатляющий проект на основе шуховского гиперболоида. Это небоскреб Vortex, который предлагает возвести в лондонском Сити известный английский архитектор Кен Шаттлворт (Ken Shuttleworth). Можно сказать, это «расширенное прочтение» классических канонов Шухова: башня станет не пустотелой, а разместит в себе вполне обыкновенные этажи с офисами. Кроме того, она представляет собой как бы двойной гиперболоид, сходящийся от основания к середине — и к вершине снова раскрывающийся на манер воронки. Впрочем, сооружение этого здания пока что — и особенно в связи с финансовым кризимом — остается под большим вопросом.
Умер великий авангардист от архитектуры в 1939 г. Нельзя сказать, что в России заслуги Шухова не признали. Несмотря на поистине варварское отношение ко многим его сооружениям, его имя носят улицы и парки ряда городов. В честь Шухова в 1990 г. учреждена престижная Золотая медаль, высшая награда для российских инженеров. 11 ноября этого года в Москве на Сретенском бульваре установлен памятник Владимиру Шухову, инженеру и архитектору, который во многом определил облик современных городов мира.
Впрочем, интересы и заслуги Шухова далеко не ограничиваются гиперболическими конструкциями. Он — автор и воплотитель проекта первых российских нефтепроводов, конструктор установок для крекинга нефти и нефтехранилищ и газгольдеров, трубчатых паровых котлов, создатель морских мин и тяжелых артиллерийских систем. Впрочем, чтобы рассказать об удивительной жизни этого удивительного человека понадобится как минимум еще одна большая статья.