Гиперболоидные конструкции — это архитектурные сооружения , спроектированные с использованием гиперболоида в одном листе. Часто это высокие конструкции, такие как башни, где структурная прочность гиперболоидной геометрии используется для поддержки объекта высоко над землей. Гиперболоидная геометрия часто используется для декоративного эффекта, а также для структурной экономии. Первые гиперболоидные конструкции были построены русским инженером Владимиром Шуховым (1853–1939), [1] включая Шуховскую башню в Полибино, Данковского района, Липецкой области , Россия.
Гиперболические структуры имеют отрицательную гауссову кривизну , то есть они изгибаются внутрь, а не наружу или являются прямыми. Как дважды линейчатые поверхности , они могут быть сделаны с помощью решетки прямых балок, поэтому их легче построить, чем изогнутые поверхности, которые не имеют линейки и должны быть построены с помощью изогнутых балок. [2]
Гиперболоидные структуры превосходят по устойчивости к внешним силам по сравнению с «прямыми» зданиями, но имеют формы, часто создающие большие объемы неиспользуемого объема (низкая эффективность пространства). Поэтому они чаще используются в целевых конструкциях, таких как водонапорные башни (для поддержки большой массы), градирни и эстетические особенности. [3]
Гиперболическая структура полезна для градирен . Внизу расширение башни обеспечивает большую площадь для установки оросителя, чтобы способствовать 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 смешивание. [ необходима цитата ]
В 1880-х годах Шухов начал работать над проблемой проектирования систем крыш, чтобы использовать минимум материалов, времени и труда. Его расчеты, скорее всего, были получены из работы математика Пафнутия Чебышева по теории наилучших приближений функций. Математические исследования Шуховым эффективных конструкций крыш привели к изобретению им новой системы, которая была инновационной как в структурном, так и в пространственном отношении. Применив свои аналитические навыки к двоякоискривленным поверхностям, которые Николай Лобачевский назвал «гиперболическими», Шухов вывел семейство уравнений, которые привели к новым структурным и конструктивным системам, известным как гиперболоиды вращения и гиперболические параболоиды .
Стальные сетчатые оболочки выставочных павильонов Всероссийской промышленной и кустарной выставки 1896 года в Нижнем Новгороде были первыми публично известными образцами новой системы Шухова. Для Нижегородской экспозиции было построено два павильона этого типа, один овальный в плане и один круглый. Крыши этих павильонов представляли собой двоякоизогнутые сетчатые оболочки, образованные целиком решеткой из прямых уголковых и плоских железных прутьев. Сам Шухов называл их ажурной башней («кружевной башней», т. е. решетчатой башней ). Патент этой системы, на которую Шухов подал заявку в 1895 году, был выдан в 1899 году.
Шухов также обратил свое внимание на разработку эффективной и легко возводимой структурной системы (сетчатой оболочки) для башни, несущей большую нагрузку наверху — проблема водонапорной башни. Его решение было вдохновлено наблюдением за действием плетеной корзины, поддерживающей тяжелый вес. Опять же, оно приняло форму дважды изогнутой поверхности, построенной из легкой сети прямых железных прутков и уголкового железа. За следующие 20 лет он спроектировал и построил около 200 таких башен, среди которых не было двух абсолютно одинаковых, большинство высотой 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. Сложение секций позволило форме башни сужаться больше наверху, с менее выраженной «талией» между определяющими форму кольцами внизу и вверху. Увеличение количества секций увеличило бы сужение общей формы до такой степени, что она стала бы напоминать конус.
К 1918 году Шухов развил эту концепцию в проект девятисекционной многоярусной гиперболоидной радиовещательной башни в Москве. Шухов спроектировал башню высотой 350 м, которая превзошла бы Эйфелеву башню по высоте на 50 м, при этом использовав менее четверти количества материала. Его проект, а также полный набор вспомогательных расчетов, анализирующих гиперболическую геометрию и определяющих размеры сети элементов, были завершены к февралю 1919 года. Однако 2200 тонн стали, необходимых для строительства башни высотой 350 м, не были доступны. В июле 1919 года Ленин постановил, что башня должна быть построена высотой 150 м, и необходимая сталь должна была быть предоставлена из армейских запасов. Строительство меньшей башни с шестью многоярусными гиперболоидами началось через несколько месяцев, и 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 структуры в форме гиперболического параболоида (гипара) и гиперболоида вращения в Саграда Фамилия в 1910 году. [4] В Саграда Фамилия есть несколько мест на фасаде Рождества — дизайн, не приравниваемый к дизайну Гауди с линейчатой поверхностью, где гиперболоид неожиданно появляется. Вокруг сцены с пеликаном есть многочисленные примеры (включая корзину, которую держит одна из фигур). Есть гиперболоид, добавляющий структурную устойчивость кипарису (соединяя его с мостом). Шпили «епископской митры» увенчаны гиперболоидами. [ требуется ссылка ]
В Палау Гуэля есть один набор внутренних колонн вдоль главного фасада с гиперболическими капителями. Венец знаменитого параболического свода — гиперболоид. Свод одной из конюшен в церкви Колония Гуэля — гиперболоид. В Парке Гуэля есть уникальная колонна, которая является гиперболоидом. Известный испанский инженер и архитектор Эдуардо Торроха спроектировал тонкостенную водонапорную башню в Федале [5] и крышу Hipódromo de la Zarzuela [6] в форме гиперболоида вращения. Ле Корбюзье и Феликс Кандела использовали гиперболоидные конструкции ( hypar ). [ требуется ссылка ]
Гиперболоидная градирня Фредерика ван Итерсона и Герарда Кёйперса 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. За ней последовала целая серия таких же и более поздних конструкций. [8]
Купол Джорджии (1992) был первым куполом , построенным по технологии Hypar- Tensegrity . [9]
Легче построить деревянную опалубку для бетонной конструкции или изготовить стальную конструкцию, если поверхность имеет одинарную разметку, и тем более, если она имеет двойную разметку.
{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
