Гиперболоидные конструкции – это архитектурные конструкции , спроектированные с использованием гиперболоида в одном листе. Часто это высокие конструкции, такие как башни, где структурная прочность геометрии гиперболоида используется для поддержки объекта высоко над землей. Гиперболоидная геометрия часто используется для декоративного эффекта, а также для экономии конструкции. Первые гиперболоидные конструкции были построены русским инженером Владимиром Шуховым (1853–1939), [1] в том числе Шуховской башней в Полибино Данковского района Липецкой области , Россия.
Гиперболические структуры имеют отрицательную гауссову кривизну , то есть они изгибаются внутрь, а не выгибаются наружу или являются прямыми. Как поверхности с двойной линейкой , они могут быть выполнены с помощью решетки из прямых балок, поэтому их легче построить, чем изогнутые поверхности, которые не имеют линейки и вместо этого должны быть построены из изогнутых балок. [2]
Гиперболоидные конструкции превосходят по устойчивости против внешних сил по сравнению с «прямыми» зданиями, но имеют формы, часто создающие большие объемы непригодного для использования объема (низкая эффективность использования пространства). Следовательно, они чаще используются в целевых конструкциях, таких как водонапорные башни (для поддержки большой массы), градирни и для эстетических целей. [3]
Гиперболическая структура выгодна для градирен . Внизу расширение башни обеспечивает большую площадь для установки наполнителя, способствующего тонкопленочному испарительному охлаждению циркулирующей воды. Когда вода сначала испаряется и поднимается, эффект сужения помогает ускорить ламинарный поток , а затем, когда он расширяется, контакт между нагретым воздухом и атмосферным воздухом поддерживает турбулентное перемешивание. [ нужна цитата ]
В 1880-е годы Шухов начал работать над проблемой проектирования кровельных систем с использованием минимума материалов, времени и труда. Его расчеты, скорее всего, были заимствованы из работ математика Пафнутия Чебышева по теории наилучших приближений функций. Математические исследования Шуховым эффективных кровельных конструкций привели к изобретению новой системы, которая была инновационной как в структурном, так и в пространственном отношении. Применяя свои аналитические способности к двояко искривленным поверхностям, которые Николай Лобачевский назвал «гиперболическими», Шухов вывел семейство уравнений, которые привели к новым структурным и конструкционным системам, известным как гиперболоиды вращения и гиперболические параболоиды .
Стальные сетчатые оболочки выставочных павильонов Всероссийской промышленной и ремесленной выставки 1896 года в Нижнем Новгороде были первыми публично известными примерами новой системы Шухова. Для нижегородской экспозиции были построены два павильона такого типа: овальный в плане и круглый. Крыши этих павильонов представляли собой двояко изогнутые сетчатые оболочки, целиком состоящие из решетки из прямых углов и плоских железных прутков. Сам Шухов называл их ажурной башней («кружевная башня», т. е. решетчатая башня ). Патент на эту систему, на который Шухов подал заявку в 1895 году, был выдан в 1899 году.
Шухов также обратил внимание на разработку эффективной и легко конструируемой конструктивной системы (решетчатой оболочки) для башни, несущей большую нагрузку наверху – проблемы водонапорной башни. Его решение было вдохновлено наблюдением за плетеной корзиной, поддерживающей тяжелый вес. И снова он принял форму двояко изогнутой поверхности, состоящей из легкой сети прямых железных прутков и уголков. В течение следующих 20 лет он спроектировал и построил около 200 таких башен, среди которых нет двух абсолютно одинаковых, большинство из которых имеют высоту от 12 до 68 метров.
По крайней мере, еще в 1911 году Шухов начал экспериментировать с концепцией формирования башни из сложенных друг на друга секций гиперболоидов. Компоновка секций позволила форме башни более сужаться вверху, с менее выраженной «талией» между кольцами, определяющими форму, внизу и вверху. Увеличение количества секций привело бы к увеличению сужения общей формы до такой степени, что она стала напоминать конус.
К 1918 году Шухов развил эту концепцию в проект девятисекционной многоярусной гиперболоидной радиопередающей башни в Москве. Шухов спроектировал 350-метровую башню, которая по высоте превосходила бы Эйфелеву башню на 50 м, используя при этом менее четверти количества материала. Его проект, а также полный набор вспомогательных расчетов, анализирующих гиперболическую геометрию и определение размеров сети элементов, были завершены к февралю 1919 года. Однако 2200 тонн стали, необходимые для строительства башни высотой 350 метров, не были доступны. В июле 1919 года Ленин постановил, что башня должна быть построена на высоту 150 м, а необходимая сталь должна быть получена из армейских запасов. Строительство меньшей башни из шести сложенных друг на друга гиперболоидов началось через несколько месяцев, а Шуховская башня была завершена к марту 1922 года.
Антонио Гауди и Шухов проводили эксперименты с гиперболоидными структурами почти одновременно, но независимо, в 1880–1895 годах. Антонио Гауди использовал конструкции в форме гиперболического параболоида (гипар) и гиперболоида революции в Храме Святого Семейства в 1910 году . дизайн поверхности, где возникает гиперболоид. Вокруг сцены с пеликаном есть множество примеров (включая корзину, которую держит одна из фигур). Есть гиперболоид, придающий кипарису структурную устойчивость (путем соединения его с мостом). Шпили «епископской митры» увенчаны гиперболоидами. [ нужна цитата ]
Во Дворце Гуэля вдоль главного фасада расположен один набор внутренних колонн с гиперболическими капителями. Венцом знаменитого параболического свода является гиперболоид. Свод одной из конюшен церкви Колония Гуэль представляет собой гиперболоид. В парке Гуэля есть уникальная колонна , представляющая собой гиперболоид. Знаменитый испанский инженер и архитектор Эдуардо Торроха спроектировал тонкостенную водонапорную башню в Федале [5] и крышу Иподрома де ла Сарсуэла [6] в форме гиперболоида революции. Ле Корбюзье и Феликс Кандела использовали гиперболоидные структуры ( гипар ). [ нужна цитата ]
Гиперболоидная градирня Фредерика ван Итерсона и Джерарда Кайперса была запатентована в Нидерландах 16 августа 1916 года. [7] Первая градирня Ван Итерсона была построена и введена в эксплуатацию на голландской государственной шахте ( DSM ) Эмма в 1918 году. Последуют целые серии таких же и более поздних моделей. [8]
Купол Джорджии (1992 г.) был первым построенным куполом Хипар- Тенсегрити . [9]
Легче построить деревянную опалубку для бетонной конструкции или изготовить стальную конструкцию, если поверхность имеет одинарную линию, и тем более, если она имеет двойную линию.
{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
