Гиперболоидные башни В.Г. Шухова

Размещено на http://www.allbest.ru

Владимир Григорьевич Шухов (16 (28) августа 1853 - 2 февраля 1939) - великий инженер, изобретатель, учёный; почётный член Академии наук СССР, Герой Труда. Является автором проектов и техническим руководителем строительства первых российских нефтепроводов и нефтеперерабатывающего завода с первыми российскими установками крекинга нефти. Внёс выдающийся вклад в технологии нефтяной промышленности и трубопроводного транспорта.

В.Г. Шухов первым в мире применил для строительства зданий и башен стальные сетчатые оболочки. Впоследствии архитекторы хай-тека, знаменитые Бакминстер Фуллер и Норман Фостер, - окончательно внедрили сетчатые оболочки в современную практику строительства, и в XXI веке оболочки стали одним из главных средств формообразования авангардных зданий.

В конце XIX века, изобретением конструкций на сетчатой основе, Владимир Шухов обогнал инженерную мысль на десятки лет вперёд. Именно ему первому пришла идея использования совместной статической работы системы из металлических стержней, перекрещивающихся в двух направлениях. При такой конструкции покрытие работает как одно целое, причем все стержни несут приблизительно одинаковую нагрузку, что позволяет изготавливать их одного сечения.

Говорят, идея использования сетчатых конструкций у Шухова родилась благодаря казусу, аналогичному тому, который позволил Ньютону открыть закон всемирного тяготения. В данном случае источником озарения послужило обычное цветочное кашпо, сплетенное из прутьев.

Его прочность оказалась достаточной, чтобы выдержать вес взрослого человека, вставшего на него одной ногой. Это и стало причиной экспериментов с конструкциями, аналогичными по своему устройству тому самому "плетеному горшку".

Шухов ввёл в архитектуру форму однополостного гиперболоида вращения, создав первые в мире гиперболоидные конструкции. Позднее гиперболоидные конструкции использовали в своём творчестве такие знаменитые архитекторы, как Гауди, Ле Корбюзье и Оскар Нимейер.

В.Г. Шухов является изобретателем первых в мире гиперболоидных конструкций и металлических сетчатых оболочек строительных конструкций (патенты Российской Империи № 1894, № 1895, № 1896; от 12 марта 1899 года, заявленные В. Г. Шуховым 27.03.1895 ?11.01.1896).

Для Всероссийской промышленной и художественной выставки 1896 года в Нижнем Новгороде В.Г. Шухов построил восемь павильонов с первыми в мире перекрытиями в виде сетчатых оболочек, первое в мире перекрытие в виде стальной мембраны (Ротонда Шухова) и первую в мире гиперболоидную башню удивительной красоты (была куплена после выставки меценатом Ю.С. Нечаевым-Мальцовым и перенесена в его имение Полибино (Липецкая область), сохранилась до настоящего времени). Оболочка гиперболоида вращения явилась совершенно новой, никогда раньше не применявшейся в архитектуре формой.

После Нижегородской выставки 1896 года В.Г. Шухов разработал многочисленные конструкции разнообразных сетчатых стальных оболочек и использовал их в сотнях сооружений: перекрытиях общественных зданий и промышленных объектов, водонапорных башнях, морских маяках, мачтах военных кораблей и опорах линий электропередач. 70-метровый сетчатый стальной Аджигольский маяк под Херсоном - самая высокая односекционная гиперболоидная конструкция В.Г. Шухова. Радиобашня на Шаболовке в Москве стала самой высокой из многосекционных шуховских башен (160 метров).

Интересно, что первая гиперболоидная башня (рис. 1) 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.

Рис. 1. Первое в мире сооружение гиперболоидной формы - башня Шухова в Полибине

Достопримечательность усадьбы - стальная ажурная водонапорная башня удивительной красоты, выполненная по проекту выдающегося инженера В.Г. Шухова. Это первое в мире сооружение гиперболоидной формы и первая в мире башня, выполненная в виде несущей сетчатой оболочки. Однополостный гиперболоид вращения первой башни Шухова образован 80 прямыми стальными профилями, концы которых крепятся к кольцевым основаниям. Сетчатая стальная оболочка из ромбовидно пересекающихся профилей упрочнена 8 параллельными стальными кольцами, расположенными между основаниями. Высота гиперболоидной оболочки башни - 25,2 метра (без учёта высот фундамента, резервуара и надстройки для обозрения). Диаметр нижнего кольцевого основания - 10,9 метра, верхнего - 4,2 метра. Максимальный диаметр бака - 6,5 метра, высота - 4,8 метра. От уровня земли из центра основания башни до уровня дна резервуара поднимается красивая стальная винтовая лестница.

В центральной части бак имеет цилиндрический проход с прямой лестницей, ведущей на смотровую площадку на верхней поверхности резервуара. Над смотровой площадкой на баке сделана гиперболоидная надстройка с прямой лёгкой лестницей, ведущей на более высокую малую смотровую площадку. Гиперболоидная надстройка смонтирована из 8 прямых профилей, упирающихся в кольцевые основания, между которыми расположено ещё одно упрочняющее кольцо. Верхняя площадка в 1896 году имела деревянный настил и ограждение (не сохранились). Общая высота башни до верхнего кольца надстройки составляет 37 метров. Все стальные элементы конструкции башни соединены заклёпками. К выступающим из фундамента металлическим стержням арматуры, имеющим нарезанную резьбу, кольцевое стальное основание башни прикручено гайками.

Башня построена В.Г. Шуховым для крупнейшей дореволюционной Всероссийской промышленной и художественной выставки в Нижнем Новгороде, проходившей с 28 мая (9 июня) по 1 (13) октября 1896 года

В 1927-1929 гг. В.Г. Шухов, принимая участие в реализации плана ГОЭЛРО, превзошел эту башенную конструкцию, построив три пары сетчатых многоярусных гиперболоидных опор перехода через реку Оку ЛЭП НиГРЭС.

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.

Башня-опора состоит из пяти 25-метровых секций, по форме являющихся однополостными гиперболоидами вращения. Секции опоры сделаны из прямых профилей, упирающихся концами в кольцевые основания. На верхней секции установлена опорная конструкция с горизонтальной стальной траверсой длиной 18 метров для крепления трех высоковольтных проводов. Башня стоит на кольцевом бетонном фундаменте, диаметром 30 метров.

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. Башня сделана с огромным запасом - держала десятки тонн стального провода ЛЭП НиГРЭС, и, несмотря на отсутствие трети металлоконструкций основания, выдержала 3 года опираясь всего на 24 оставшихся подлинных шуховских профиля основания.. По счастью, конструкция Шухова обладает огромным запасом прочности: несмотря на отсутствие части основания, башня умудрилась простоять несколько лет, при том, что нижняя ее часть затопляется весенним паводком.

Самой знаменитой работой Владимира Григорьевича Шухова является радиобашня на улице Шаболовка в Москве, построенная по его проекту и под его руководством и известная во всем мире под вполне заслуженным именем «Шуховская башня». Эта башня принесла своему создателю настоящую мировую славу, самым наглядным образом являясь шедевром инженерного искусства, выдающимся достижением инженерной мысли, выраженной в лаконичной, естественной и исключительно красивой форме. Шуховская башня в Москве - это такое же устойчивое и понятное всем выражение, как Эйфелева башня в Париже.

Вначале В.Г. Шухов предложил проект радиобашни, состоящей из девяти секций, общей высотой около 350 м, превышавшей Эйфелеву башню в Париже почти на 50 м. Для этого требовалось 2400 тонн стальных конструкций (на строительство Эйфелевой башни были затрачены 7500 тонн стального проката и около 2 млн. заклепок). Но в условиях гражданской войны, а также из-за срочности сооружения башни, было решено уменьшить ее высоту до 150 м, тем более что, по мнению специалистов, этой высоты было вполне достаточно для осуществления заданной дальности радиопередач. Кроме того, гиперболоидная конструкция Шухова требовала гораздо меньше (в 2,5 раза) металла, по сравнению с Эйфелевой башней.

Башня Шухова была единственным в мире сооружением подобного типа. По форме она напоминала конус, состоявший из шести отдельных секций, высотой по 25 м каждая. Сетчатая конструкция башни создавала минимальную поверхность для ветра, обусловливающую основные нагрузки для сооружения большой высоты. Технология возведения башни, предложенная Шуховым, была весьма необычной: гигантское сооружение состоит из секций, которые собирались на земле. Как известно, в то время не существовало ни электросварки, ни мощных монтажных башенных кранов. Основание нижней первой секции опиралось на железобетонный фундамент глубиной 3 м и диаметром 42 м. Внутри готовой первой секции собирались пять последующих, находившихся одна в другой, подобно сложенной зрительной трубе огромных размеров. Секции поднимались последовательно с помощью стальных тросов, блоков и лебедок и поочередно приклепывались к предыдущим.

Строительство башни велось в условиях гражданской войны, не хватало оборудования и металла. Десять тысяч пудов железа было получено из военных запасов по личному указанию В.И. Ленина.

В июне 1921 г. Шухов и его помощники столкнулись с непредвиденным испытанием: строительство башни уже близилось к концу, но при подъеме четвертой секции лопнул трос одной из лебедок, и гигантская конструкция рухнула вниз с высоты 75 м. При этом она основательно деформировала ранее возведенные секции и превратила в металлолом лежавшие на земле, но уже смонтированные и готовые к подъему, пятую и шестую секции.

К счастью, специальная комиссия установила, что причина аварии в усталости металла, и нужно было, не теряя времени, заново начинать работу. В результате невероятных усилий и огромного труда строительство башни было завершено в установленные сроки, в конце 1921 г.

Стальная оболочка Шуховской башни на Шаболовке благодаря своей сетчатой структуре испытывает минимальную ветровую нагрузку, представляющую главную опасность для высотных сооружений. Секции башни - однополостные гиперболоиды вращения, сделанные из прямых балок, упирающихся концами в кольцевые основания. Круглый конусный корпус башни состоит из 6 секций высотой 25 метров каждая. Нижняя секция установлена на бетонном фундаменте диаметром 40 метров и глубиной 3 метра.

На 150-метровой высоте были установлены будка для наблюдений и две боковые 7-метровые траверсы для подвески антенн. Общая высота башни вместе с древком для флага составляла 160 м. 19 марта 1922 г. началась эксплуатация радиостанции. В течение многих лет Шуховская башня была самым высоким сооружением в стране (высота колокольни Ивана Великого - 80 м, Исаакиевского собора - 120 м).

Шуховская башня имеет оригинальную изящную сетчатую конструкцию, благодаря чему достигается минимальная ветровая нагрузка, представляющая главную опасность для высоких сооружений. По форме секции башни представляют собой однополостные гиперболоиды вращения, сделанные из прямых балок, упирающихся концами в кольцевые основания. Ажурная стальная конструкция сочетает в себе прочность и легкость. При своей ажурности и невесомости башня оказалась на удивление прочной. В 1939 году в толстый трос, протянутый под углом от вершины башни до земли, врезался одномоторный самолет. Башня получила сильный удар, но проведенная экспертиза показала, что ей даже не потребовался ремонт.

Шуховская башня на Шаболовке признана архитекторами всего мира выдающимся, уникальным шедевром инженерного искусства. Мировое значение Шуховской башни подтверждают экспозиции ее макетов на престижных архитектурных выставках Европы последних лет. На выставке "Инженерное искусство" в центре Помпиду в Париже изображение Шуховской башни использовалось как логотип.

На выставке "Лучшие конструкции и сооружения в архитектуре XX века" в Мюнхене в 2003 году был установлен позолоченный шестиметровый макет Шуховской башни. Конструкции Владимира Шухова подробно описываются во многих европейских книгах по истории архитектуры. На международной научной конференции "Heritage at Risk. Сохранение архитектуры XX века и Всемирное наследие", прошедшей в Москве в апреле 2006 года с участием 170 специалистов из 30 стран мира, Шуховская башня признана шедевром русского архитектурного авангарда и объектом всемирного наследия.

Шуховская башня в Москве никогда не реставрировалась. Попытки придать ей дополнительную прочность с помощью сварных элементов, закреплённых на уголках болтами к шуховской клёпаной несущей сетке-оболочке (рис. 2) компетентными международными экспертами признаются как варварство по отношению к уникальной конструкции.

Рис. 2. Попытки придания дополнительной прочности

Во время усиления элементов башни был нарушен основной принцип, заложенный Шуховым при её проектировании - определённая доля подвижности и самокомпенсации по отношению к внешним нагрузкам. Башня не защищается должным образом от коррозии (рис. 3).

Рис. 3. Коррозия

гиперболоидный башня шухов

Подвижное основание забетонировано, что нарушает шуховскую кинематическую схему конструкции. Башня располагается на закрытой территории, туристы не имеют возможности подойти к башне.

В России было построено более 200 шуховских башен - в основном водонапорных. Шуховские башни отличаются удивительной красотой гиперболоида вращения и украшают многие города мира.

Шухов изобрёл также арочные конструкции покрытий с тросовыми затяжками. Впервые сетчатые металлические покрытия Шухов продемонстрировал еще в 1896 г., вызвав восторг участников и посетителей Всероссийской выставки в Нижнем Новгороде: сетчатые перекрытия располагались над несколькими зданиями павильона разной формы (круглое, прямоугольное, эллиптическое), придавая павильону необычный изящный вид. Кстати, первая висячая кровля элеватора в Олбани (США) появилась только в 1932 г.

До нашего времени сохранились арочные: стеклянные своды покрытий В.Г. Шухова над крупнейшими московскими магазинами: Верхними торговыми рядами (ГУМ) и Фирсановским (Петровским) пассажем. В конце XIX века Шухов вместе со своими сотрудниками составил проект новой системы водоснабжения Москвы. По проектам В. Г. Шухова было сооружено более 180 стальных мостов.

В 1897 году Шухов построил для металлургического завода в Выксе цех с пространственно изогнутыми сетчатыми парусообразными стальными оболочками перекрытий двоякой кривизны. Этот цех сохранился на Выксунском металлургическом заводе до наших дней. Это первое в мире сводообразное выпуклое перекрытие-оболочка двоякой кривизны.

В.Г. Шухов изобрел новые конструкции пространственных плоских ферм и использовал их при проектировании покрытий Музея изящных искусств (ГМИИ им. Пушкина), Московского главного почтамта, Бахметьевского гаража и других многочисленных построек. В 1912-1917 г.г. В.Г. Шуховым спроектировал перекрытия залов и дебаркадер Киевского вокзала (бывшего Брянского) в Москве и руководил его возведением (ширина пролета - 48 м, высота - 30 м, длина - 230 м).

Работая над созданием несущих конструкций, Шухов вносил существенный вклад в окончательный проект зданий и невольно выступал в роли архитектора. В архитектурном облике павильонов Всероссийской промышленной и художественной выставки 1896 года, ГУМа и Киевского вокзала авторство Шухова определило наиболее впечатляющие черты сооружений.

Стальные сетчатые оболочки являются одной из наиболее рациональных систем покрытий для зальных сооружений. Кинематическая жесткость стержневых оболочек и их способность воспринимать односторонние нагрузки в основном зависят от сдвиговой жесткости поверхности оболочки и от оптимальности формы их начальной поверхности.

Наилучшая структура сетчатой оболочки рассматриваемого типа с точки зрения сдвиговой жесткости поверхности оболочки состоит из трех семейств линий: колец, подобных опорному, и двух семейств квазимеридианов, идущих от опорного контура к центральному кольцу. Эти семейства линий образуют на поверхности сетку с треугольными ячейками.

Важнейшей характеристикой оболочки является форма ее поверхности. Эта характеристика особенно важна для оболочек, на планах сильно отличающихся от круга (вытянутые овалы и овалы, содержащие прямые участки).

В процессе нахождения оптимальной формы (“выдавливания”) принимались следующие условия:

- опорный контур жестко закреплен в пространстве;

- все узлы сети шарнирные;

- узловые нагрузки определены по основному сочетанию;

- кольцевые стержни сети идеально пластичные, с небольшой несущей способностью.

В предложенных системах несущие сетчатые оболочки отделены от ограждающих светопрозрачных поверхностей, которые подвешены к ним и имеют минимальные уклоны для стока воды. Эстетика сооружения с большепролетным покрытием в значительной степени создается эстетикой покрытия, которая является проявлением логичности его конструктивного решения.

Последним крупным достижением В.Г. Шухова в области строительной техники стало выпрямление, накренившегося во время землетрясения, минарета древнего медресе Улугбека в Самарканде.

Купола и арки мечети были украшены оригинальной богатейшей росписью, вокруг установлены четыре башни-минарета, которые для придания необычной легкости и изящества всего сооружения были слегка отклонены от основного здания. Древние строители продемонстрировали незаурядное мастерство и изобретательность.

Но во время одного из землетрясений, довольно частых в Средней Азии, юго-восточный минарет упал. Редчайшему произведению архитектурного искусства угрожало разрушение.

Для поднятия и выпрямления падающего минарета весом в 2 тыс. тонн нужно было произвести точные расчеты, определить размеры опор, способных выдержать вес минарета. Подъем и установка минарета были произведены в течение четырех дней в январе 1932 г.

Как писал один из биографов, великий инженер конца 19 - начала 20 столетия «сохранил для истории замечательную работу великого строителя 15 столетия».

Говорят, что все гениальное - просто, но это «просто» является результатом многолетней творческой деятельности в данной отрасли науки и техники. Ведь, например, никто до Шухова не пришел к идее и разработке по собственным формулам метода постройки нефтяных резервуаров с разной толщиной отдельных поясов их стенок по высоте (1883 г.), что давало огромную экономию расхода металла и определяло самые выгодные размеры резервуара и его вес (стоимость резервуара снижалась вдвое). За короткий срок строительная контора, где работал Шухов, изготовила более 20 тыс. резервуаров, которые стали строиться по всей стране.

Под руководством В.Г. Шухова было построено около 500 железнодорожных мостов (через Волгу, Оку, Енисей и др.) с пролетами до 100 м, возведено более 20 тыс. стальных нефтехранилищ. Среди его творений первые авиационные ангары, водопроводы (в Москве, Киеве, Харькове), доменные и мартеновские печи, нефтяные насосы, гидротехнические затворы, элеваторы, мачты электропередач. Он был автором сотен изобретений. С небольшим числом помощников он сумел осуществить то, что по силам нескольким НИИ. Неслучайно он был удой медали Всемирной выставки в Париже. Шухов обладал особым умением доступно и понятно излагать самые сложные технические вопросы и в заключение любил говорить: «видите, как это просто».

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 кризисом - 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.

Размещено на Аllbеst.ru