Шуховский гиперболоид вращения

в 10:03, , рубрики: Башня на Шаболовке, Блог компании Mail.Ru Group, Владимир Григорьевич Шухов, гиперболоид, Научно-популярное, радиобашня, Шуховская башня, эйфелева башня, метки: , , , , ,

Шуховский гиперболоид вращения - 1

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.

Шуховский гиперболоид вращения - 2

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.

Шуховский гиперболоид вращения - 3

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.

Шуховский гиперболоид вращения - 4

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.

Шуховский гиперболоид вращения - 5

Шуховский гиперболоид вращения - 6

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.

Шуховский гиперболоид вращения - 7

Шуховский гиперболоид вращения - 8

Шуховский гиперболоид вращения - 9

Шуховский гиперболоид вращения - 10

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.

Шуховский гиперболоид вращения - 11

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.

Шуховский гиперболоид вращения - 12

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.

Шуховский гиперболоид вращения - 13

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.

  1. Для обеспечения надежной и постоянной связи центра Республики с западными государствами и окраинами Республики поручается Народному Комиссариату Почт и Телеграфов установить в чрезвычайно срочном порядке в г. Москве радиостанцию, оборудованную приборами и машинами наиболее совершенными и обладающими мощностью, достаточной для выполнения указанной задачи.
  2. Всем государственным учреждениям и организациям предлагается оказывать Народному Комиссариату Почт и Телеграфов в выполнении этой задачи самое деятельное и энергичное содействие по части снабжения всеми необходимыми материалами, транспорта ж. дорожного, водного и гужевого и по привлечению к этой работе квалифицированных и не квалифицированных рабочих, обеспечив их продовольствием и жилищем.
  3. Работающих по установке радиостанции считать мобилизованными на месте и потому не подлежащими к призыву /независимо от возраста/ до тех пор, пока радиостанция не будет закончена.
  4. Всем рабочим квалифицированным и не квалифицированным, работающим по установке радиостанции, выдавать красноармейский паек до тех пор, пока радиостанция не будет закончена.
  5. Для наблюдения за выполнением этой задачи в кратчайший срок и правильностью производимых работ учредить распоряжением Компочтеля особую комиссию из работников Компочтеля и представителей от В.С.Н.Х. Государственного контроля и от Радио-секции Пролетарского Производственного Союза Народной связи; членам комиссии установить особое вознаграждение в пределах норм, предусмотренных постановлениями С.Н.К. о совместительстве.

Председатель Совета Обороны В. Ульянов /Ленин/
Москва, Кремль,
30-го июля 1919 г.

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.

Шуховский гиперболоид вращения - 14

Шуховский гиперболоид вращения - 15

Шуховский гиперболоид вращения - 16

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.

Шуховский гиперболоид вращения - 17

К счастью, подтвердилась настоящая причина обрыва — усталость металла, поэтому строительство было возобновлено.

Шуховский гиперболоид вращения - 18

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».

Шуховский гиперболоид вращения - 19

Шуховский гиперболоид вращения - 20

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.

Шуховский гиперболоид вращения - 21

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:

Шуховский гиперболоид вращения - 22

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.

Шуховский гиперболоид вращения - 23

Шуховский гиперболоид вращения - 24

А вот чертежи Эйфелевой башни, ее соединений и некоторых элементов:

Шуховский гиперболоид вращения - 25

Шуховский гиперболоид вращения - 26

Шуховский гиперболоид вращения - 27

Шуховский гиперболоид вращения - 28

Шуховский гиперболоид вращения - 29

Шуховский гиперболоид вращения - 30

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.

Об устойчивости конструкции Шуховской башни говорят два случая. После ее возведения не демонтировали стальной трос, соединявший башню с одной из лебедок на земле. В 1930-е годы почтовый самолет задел этот трос крылом и упал неподалеку. Лебедку сорвало с фундамента, а башня получила сильный удар. Однако осмотр конструкции показал, что гиперболоид вышел из этой передряги без каких-либо повреждений или деформаций.

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.

Шуховский гиперболоид вращения - 31

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.

Шуховский гиперболоид вращения - 32

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.

Автор: Mail.Ru Group

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля